DE102006022394A1

DE102006022394A1 - Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle mit mehreren Zellen

Info

Publication number: DE102006022394A1
Application number: DE200610022394
Authority: DE
Inventors: Jochen Fassnacht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle (1) mit mehreren Zellen (2a-2d). Die Gefahr von Überspannungen beim Laden der Energiequelle kann wesentlich verringert werden, wenn eine mit den Zellen (2a-2d) verbundene Elektronik (3) vorgesehen wird, die eine Entladeeinheit (5) zum selektiven Entladen einzelner Zellen (2a-2d) umfasst, wobei die Entladeeinheit (5) so eingerichtet ist, dass sie eine vorgegebene Zelle (2a-2d) wenigstens teilweise entlädt, wenn die Zellenspannung (U1U4) der betreffenden Zelle (2a-2d) von einem Mittelwert mehrerer Zellenspannungen (U1-U4) stärker abweicht als ein vorgegebener Schwellenwert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle, insbesondere einer Batterie, mit mehreren Zellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekannte Fahrzeugbatterien, wie z.B. NiMH-Batterien, Lilonen-Batterien oder DLC-Batterien (DLC: Doppelschichtkondensator), bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Teilspannung von wenigen Volt erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt dabei die Nennspannung der Batterie, die z.B. 12V oder 42V, bei Hybrid-Fahrzeugen auch 500V betragen kann.
Auf Grund fertigungstechnischer Toleranzen oder thermischer Einflüsse kann der Ladezustand SOC (State Of Charge) der einzelnen Zellen unterschiedlich hoch sein. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Batterie erheblich, da diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand und diejenige Zelle mit dem höchsten Ladezustand für das Auf- bzw. Entladen der Batterie limitierend wirken. D.h., die Batterie kann nicht weiter aufgeladen werden, als bis die vollste Zelle voll aufgeladen ist, und nicht weiter entladen wird, als bis die Ladung der leersten Zelle verbraucht ist.
Um eine Batterie, die längere Zeit in Betrieb war, wieder zu regenerieren, ist es bekannt, einen so genannten Ladungsabgleich durchzuführen. Dabei wird bei z.B. NiMH-Systemen die Batterie zunächst voll aufgeladen und dann mit einem geringen Strom überladen, so dass auch die schwächeren, noch nicht vollen Zellen wieder aufgeladen werden, bis sich der Ladezustand der Zellen langsam angleicht. In den bereits vollen Zellen wird dabei die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nur bei NiMH- oder Blei-Säure-Batterien. Liionen- oder DLC-Batterien können dagegen nicht überladen werden, da sie in diesem Fall zerstört werden würden.
Zum Ladungsabgleich der zuletzt genannten Batterie-Typen wird üblicherweise eine Elektronik eingesetzt, die mit jeder einzelnen Zelle verbunden ist und die einzelnen Zellen selektiv entlädt, sobald deren Zellenspannung einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt. Die Maximalspannung ist dabei ein fest vorgegebener Wert, der meist nahe einer maximal zulässigen Zellenspannung liegt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass bei Applikationen, bei denen die Batterie nur sehr selten voll aufgeladen wird, der Ladungsunterschied der einzelnen Zellen sehr groß werden kann. Wenn nun die vollste Zelle beim nächsten Ladevorgang die Spannungsschwelle erreicht, muss gegebenenfalls sehr viel Leistung in sehr kurzer Zeit abgeführt werden, damit keine gefährliche Überspannung entsteht. Hierzu sind entsprechend leistungsfähig dimensionierte Widerstände notwendig, die entsprechend teuer sind. Darüber hinaus muss die beim Entladen der Zelle erzeugte thermische Leistung abgeführt werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Batterie zu schaffen, bei der geringere Entladeströme auftreten und die dennoch zuverlässig vor Überspannungen schützt.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Entladeeinheit zum selektiven Entladen einzelner Zellen vorzusehen, die so ausgelegt ist, dass sie eine vorgegebene Zelle wenigstens teilweise entlädt, wenn die Zellenspannung der betreffenden Zelle von einem aus mehreren Zellspannungen gebildeten Referenzwert, vorzugsweise einem Mittelwert oder einem darauf bezogenen Wert, stärker abweicht als ein vorgegebener Schwellenwert. Im Unterschied zum eingangs beschriebenen Stand der Technik wird hier nicht mehr das Überschreiten einer maximalen Zellenspannung überwacht, sondern nur noch die Abweichung einer einzelnen Zellenspannung von einem Referenzwert, insbesondere einem Spannungs-Mittelwert. Die einzelnen Zellenspannungen bzw. Ladungszustände befinden sich daher immer innerhalb eines bestimmten Bandes um den Referenzwert. Die Grenzen dieses Bandes können je nach Wunsch bzw. Applikation schmäler oder weiter gewählt werden. Dieses Verfahren zum Ladungsabgleich hat den wesentlichen Vorteil, dass die einzelnen Zellen der Batterie immer relativ gut abgeglichen sind und keine Gefahr von Überspannungen besteht.
Der Referenzwert ist vorzugsweise ein aus mehreren Zellenspannungen gebildeter Mittelwert oder ein auf den Mittelwert bezogener Wert, wie z.B. der Mittelwert ± ein Deltawert.
Der Referenzwert wird vorzugsweise mittels eines Spannungsteilers erzeugt, der z.B. die Klemmenspannung der Batterie oder eine daraus abgeleitete Spannung teilt, vorzugsweise mittelt.
Eine Einheit zur Erzeugung des Referenzwerts umfasst vorzugsweise auch einen Differenzverstärker, der die Klemmenspannung der Batterie verstärkt. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist vorzugsweise mit dem Spannungsteiler verbunden, der die verstärkte Spannung teilt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Entladeeinheit wenigstens einen Komparator, der vorzugsweise in Hysterese geschaltet ist. Die Schaltschwelle der Entladeeinheit kann somit über die Hysterese des Komparators eingestellt werden. Wahlweise kann die Schaltschwelle der Entladeeinheit natürlich auch über die Höhe des Referenzwerts bzw. den Teilungsfaktor des Spannungsteilers eingestellt werden.
Die Entladeeinheit umfasst vorzugsweise einen Komparator, an dessen einem Eingang der Referenzwert und an dessen anderem Eingang eine Zellenspannung bzw. eine daraus abgeleitete Spannung zugeführt wird, und dessen Ausgang einen Schalter zum Entladen einer Zelle ansteuert, der in den leitenden Zustand versetzt wird, wenn die Eingangsspannung die Referenzspannung um ein vorgegebenes Maß übersteigt. Vorzugsweise ist jeder einzelnen Zelle der Batterie eine separate Entladeeinheit zugeordnet.
Jede Entladeeinheit umfasst vorzugsweise einen Widerstand, über den die Zelle beim Entladen kurzgeschlossen wird.
Die einzelnen Einheiten der Elektronik sind vorzugsweise als konkrete Schaltung aufgebaut, können aber – mit Ausnahme des Entladewiderstandes – auch in Software realisiert sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung zum Ladungsabgleich einer Batterie.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt das Schaltbild einer elektronischen Schaltung 3 zum Ladungsabgleich einer Batterie 1, die mehrere in Serie geschaltete Zellen 2a-2d aufweist. Bei der Batterie 1 kann es sich im Grunde um jeden bekannten Batterietyp, wie z.B. eine Lilonen- oder eine NiMH-Batterie oder um eine DLC-Anordnung handeln. Letztere soll hier ebenfalls als „Batterie" gelten.
Die Elektronik 3 umfasst eine Entladeeinheit 5 zum Entladen einzelner Zellen 2a-2d, welche die Zellen 2a-2d unter bestimmten Bedingungen wenigstens teilweise entlädt. Ein Entladevorgang wird ausgelöst, wenn die Zellenspannung U₁-U₄ einer Zelle 2a-2d von einem Spannungs-Mittelwert bzw. einem auf den Mittelwert bezogenen Wert zu stark abweicht. Die betreffende Zelle 2a-2d wird dann über einen am Ausgang der Entladeeinheit 5 angeordneten Widerstand R_S teilweise entladen und die Batterie 1 somit abgeglichen.
Die Entladeeinheit 5 umfasst mehrere Komparatoren 5a-5d, die jeweils einer der Zellen 2a-2d zugeordnet sind. Die Komparatoren 5a-5d erhalten an ihrem invertierenden Eingang (–) eine Referenzspannung, und an ihrem nicht invertierenden Eingang (+) eine aus der jeweiligen Zellenspannung U₁-U₄ abgeleitete Spannung U_C1-U_C4. Die Komparatoren 5a-5d sind in diesem Ausführungsbeispiel in Hysterese geschaltet und umfassen entsprechend einen zwischen dem Eingang (+) und dem Komparator-Ausgang angeordneten Widerstand R₃, sowie einen am Eingang (+) angeschlossenen Widerstand R₄.
Die am nicht invertierenden Eingang (+) der Komparatoren 5a-5d anliegende Spannung wird, wie erwähnt, aus den einzelnen Zellenspannungen U₁-U₄ abgeleitet. Hierzu ist für jede der Zellen 2a-2d ein Differenzverstärker 4a-4d vorgesehen, deren Eingang jeweils mit einer Zelle 2a-2d verschaltet ist. An ihren Ausgängen erzeugen die Differenzverstärker 4a-4d eine verstärkte Spannung U_C1-U_C4. Die Differenzverstärker 4a-4d sind in bekannter Weise beschaltet und umfassen mehrere Widerstände R₅-R₉.
Die am invertierenden Eingang (–) der Komparatoren 5a-5d anliegende Referenzspannung U_C wird hier mittels eines Spannungsteilers R₁, R₂ erzeugt, der die Klemmenspannung der Batterie 1, genauer eine verstärkte Klemmenspannung U_G1 mittelt. Bei der dargestellten Batterie 1 mit vier Zellen 2a-2d gilt somit: U_C = U_G/4. Der Spannungs-Mittelwert ist mit U_C bezeichnet.
Die verstärkte Klemmenspannung U_G1 wird von einem Differenzverstärker 6 erzeugt, an dessen Eingang die Klemmenspannung anliegt. Der Differenzverstärker 6 ist in herkömmlicher Weise beschaltet und umfasst Widerstände R₁₀-R₁₂.
Der maximal zulässige Ladungsunterschied der einzelnen Zellen 2a-2d wird hier durch die Auslegung der Komparator-Hysterese (Widerstände R₃, R₄) festgelegt. Wenn eine der Eingangsspannungen U_C1-U_C4 die Referenzspannung U_C (Mittelwert) plus eine durch die Hysterese vorgegebene Delta-Spannung übersteigt, schaltet der Ausgang des zugehörigen Komparators 5a-5d in den anderen Zustand (z.B. logisch „1") und schließt den am Ausgang angeschlossenen Schalter S₁-S₄. Die zugehörige Zelle 2a-2d wird dann über einen Widerstand R_S und den entsprechenden Schalter S₁-S₄ kurzgeschlossen und entladen. Der Entladevorgang wird beendet, wenn die Eingangsspannung U_C1-U_C4 der betreffenden Zelle unter die Referenzspannung U_C minus eine durch die Hysterese bestimmte Delta-Spannung sinkt. Der betreffende Komparator 5a-5d schaltet in diesem Fall wieder in den Ausgangszustand (z.B. logisch „0") und öffnet den zugehörigen Schalter S₁-S₄.
Die Schaltzeitpunkte für den Beginn bzw. das Ende eines Entladevorgangs könnten natürlich auch über die Auslegung des Spannungsteilers R₁, R₂ und damit die Höhe der Referenzspannung U_C eingestellt werden.
Die Schalter S₁-S₄ sind vorzugsweise als Transistoren realisiert. Die elektronische Schaltung 3 kann in Hardware oder zumindest teilweise in Software realisiert werden.

Claims

Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle, insbesondere einer Batterie (1), mit mehreren Zellen (2a-2d), gekennzeichnet durch eine mit den Zellen (2a-2d) verbundene Elektronik (3) die so ausgelegt ist, dass sie eine Zelle (2a-2d) wenigstens teilweise entlädt, wenn deren Zellenspannung (U₁-U₄) von einem aus mehreren Zellenspannungen (U₁-U₄) gebildeten Referenzwert (U_C) stärker abweicht als eine vorgegebene Schwelle.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (3) eine Entladeeinheit (5) zum selektiven Entladen einzelner Zellen (2a-2d) und eine Einheit (6) zum Erzeugen des Referenzwerts (U_C) umfasst, der der Entladeeinheit (5) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert ein aus mehreren Zellenspannungen (U₁-U₄) gebildeter Mittelwert oder ein auf den Mittelwert bezogener Wert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (6) zur Erzeugung des Referenzwerts (U_R) einen Spannungsteiler (8) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (6) zur Erzeugung des Referenzwerts (U_C) einen Differenzverstärker (9) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (3) eine Entladeeinheit (5) mit einem Komparator (7a-7d) umfasst, dem an seinem Eingang eine Zellenspannung (U₁-U₄) oder eine daraus abgeleitete Spannung und der Referenzwert (U_C) zugeführt werden, und dessen Ausgang mit einem Schalter (S₁-S₄) zum Entladen einer Zelle (2a-2d) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (7a-7d) ein in Hysterese geschalteter Komparator (7a-7d) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeeinheit (5) einen Widerstand (R_S) umfasst, über den die Zelle (2a-2d) beim Entladen kurzgeschlossen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (3) mehrere Differenzverstärker (4) umfasst, die jeweils einer Zelle (2a-2d) zugeordnet sind.