DE102006033171A1

DE102006033171A1 - Ladeschaltung für Batteriezellen

Info

Publication number: DE102006033171A1
Application number: DE102006033171A
Authority: DE
Inventors: Michael Wolf; Marcus Bremmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US8253379B2; EP2044669A1; WO2008009502A1; US20110254499A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Laden eines Batteriesystems (12) mit einer Anzahl von in Serienschaltung (16) angeordneten Einzelspannungsquellen (14.1, ...14.n) durch eine Spannungsquelle (10). Den Einzelspannungsquellen (14.1, ...14.n) ist jeweils ein Bypass (18.1, ...18.n) zugeordnet. Über diesen wird ein Ladestrom I<SUB>L</SUB> aus der Spannungsquelle (10) abhängig vom Ladezustand der Einzelspannungsquellen (14.1, ...14.n) diesen zugeführt.

Description

Stand der Technik
DE 101 50 376 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausgleich des Ladezustands von in Reihe geschalteten Akkumulatoren. Gemäß dieser Lösung ist ein Kondensator vorgesehen sowie mehrere zwischen dem Kondensator und den Akkumulatoren angeordnete Schalter. Ferner weist die Vorrichtung eine Logik auf, die zur Messung der an den Akkumulatoren anliegenden Spannungen und beim Überschreiten des vorgegebenen Differenzschwellenwertes zwischen den an den Akkumulatoren anliegenden Spannungen zur Aktivierung eines die Schalter steuernden Treibers dient. Der Kondensator ist zum Zwecke eines Ladungsaustauschs über die Schalter abwechselnd mit den einzelnen Akkumulatoren verbindbar. Die aus DE 101 50 376 A1 bekannte Vorrichtung weist darüber hinaus zwei in Reihe geschaltete Akkumulatoren und vier Schalter auf. Ein erster der Schalter ist zwischen einem ersten Anschluss des Kondensators und dem massefernen Anschluss der in Reihe geschalteten Akkumulatoren, ein zweiter der Schalter ist zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators und Masse, ein dritter der Schalter ist zwischen dem zweiten Anschluss des Kondensators und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Akkumulatoren und ein vierter der Schalter ist zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Akkumulatoren angeordnet.
Werden mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet, um die Ausgangsspannung des Batteriesystems zu erhöhen, so stellt sich beim Laden des Batteriesystems die Spannung an den Einzelzellen neben anderen Einflussfaktoren unter anderem in Abhängigkeit von deren „Gesundheitszustand" bzw. der herrschenden Innenwiderstände ein. Werden Batteriezellen eingesetzt, die empfindlich gegen Überspannungen reagieren, so wird der Ladevorgang des Batteriesystems dann beendet, wenn die maximale zulässige Zellenspannung an einer der in Serie geschalteten Einzelzellen erreicht ist.
Die Lebensdauer des Batteriesystems ist umso höher, je homogener die Einzelzellen geladen werden können. Da es beim Ladevorgang bei Inhomogenität innerhalb des Batteriesystems Einzelzellen gibt, bei denen der maximal zulässige Zellspannungswert erreicht wird, bevor andere Einzelzellen diesen erreichen, wird der Ladevorgang abgeschaltet, obwohl ein Teil der Zellen noch nicht vollgeladen ist. Beim Entladen erreichen die nicht vollgeladenen Einzelzellen zuerst eine zuvor definierte untere Spannungsquelle und der Entladevorgang wird beendet, obwohl noch Einzelzellen im Batteriesystem verfügbar sind, die Ladung abgeben könnten. Dieser Effekt der Inhomogenität kann sich über die Betriebszeit sowie abhängig von der Anzahl der Lade- bzw. Entladezyklen, dem das Batteriesystem unterworfen wird, verstärken. Je größer die Inhomogenität wird, desto kleiner wird der Hub zwischen entnehmbarer und ladbarer Energie. Das Batteriesystem kann aufgrund des vorstehend beschriebenen Effekts nicht mehr effektiv genutzt werden und muss daher ausgetauscht werden. Diesem Effekt der Inhomogenität wird im Allgemeinen dadurch entgegengewirkt, dass eine genaue Auswahl der Einzelzellen mit gleicher Charakteristik zu Serienverschaltungen in einem Batteriesystem erfolgt, sowie auf eine Ladungsübertragung zurückgegriffen wird, bei welcher mittels Transformatorschaltungen von den in einem besseren Zustand befindlichen Einzelzellen zu den in einem schlechteren Zustand befindlichen Einzelzellen Ladung übertragen wird. Die Auswahl der Einzelzellen stellt hingegen einen relativ großen Aufwand dar. Transformatoren, die bisher zur Abhilfe eingesetzt wurden, benötigen einen großen Einbauraum und sind teuer. Ferner wird ein erheblicher Aufwand dafür betrieben, die der Wärmeabfuhr während des Homogenisierungsvorgangs dient.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines Batteriesystems zu erhöhen, indem die Einzelzellen untereinander in einem homogeneren Ladezustandsbereich gehalten werden.
Zur Ladung des Batteriesystems wird eine systemseitig vorhandene, von außen mit dem Batteriesystem verbundene Energiequelle zur Erreichung einer homogeneren Ladungsverteilung eingesetzt. Für den Transport der Ladung zu den Einzelzellen des Batteriesystems werden keine Transformatoren benötigt, die Auswahl der Einzelzellen des Batteriesystems kann mit einer größeren Bandbreite bestimmt werden.
Die homogenere Ladungsverteilung innerhalb des Batteriesystems wird erreicht durch die Zuschaltung jeweils eines Bypasses über jede Einzelzelle des Betriebssystems. Zur Strombegrenzung kann in den Bypass seriell entweder mindestens ein Widerstand oder mindestens eine Induktivität geschaltet werden.
Jedem Bypass über eine jede Einzelzelle des Batteriesystems ist ein Bypassschalter zugeordnet, der den Ladestrom an der jeweiligen Einzelzelle vorbeiführt. Damit bei der Zu schaltung des Bypasses die Einzelzelle nicht entladen wird. kann die Höhe des Bypassstromes durch eine getaktete Einsteuerung des Bypassschalters derart geregelt werden, dass der mittlere Strom aus der Einzelzelle näherungsweise gleich 0 wird. Für die Stromregelung gilt:
mit:

I_By: = Strom über den Einzelzellen-Bypass
I_Bz: = Strom aus einer Einzelzelle
I_L: = Ladestrom des Batteriesystems

Zur Sensierung des Stroms aus einer Einzelzelle I_Bz auf den Wert 0 kann entweder die Spannung an den Einzelzellen überwacht werden, die daraufhin überwacht wird, dass diese den maximal zulässigen Grenzwert nicht überschreitet oder es kann ein Sensor pro Einzelzelle eingesetzt werden, der den Strom durch die Einzelzelle misst bzw. präsentiert.
Die jeweils den Einzelzellen des Batteriesystems zugeordneten Bypasse werden während des Ladevorgangs des Batteriesystems dann aktiv geschaltet, wenn die Spannung an der jeweiligen Einzelzelle den maximal zulässigen Spannungswert erreicht. Diese Einzelzellen sind in diesem Falle vollständig geladen und benötigen keine weitere Ladung. Die Einzelzellen, die demgegenüber geringere Ladungszustände aufweisen, haben ihren maximal zulässigen Spannungswert noch nicht erreicht und können daher weitere Ladung aufnehmen. Der Ladevorgang ist dann beendet, wenn entweder alle Einzelzellen oder eine zuvor definierte Anzahl von Einzelzellen ihren maximal zulässigen Spannungswert erreicht haben.
Zum Schutz der Bypass-Schaltungen kann der Ladestrom I_L durch die Spannungs- bzw. Stromquelle mittels einer intelligenten Ansteuerung durch die Batterieladungssteuerung begrenzt werden. Die Ladestrombegrenzung wird dann aktiviert, wenn ein oder mehrere den Einzelzellen des Batteriesystems jeweils zugeordnete Bypasse aktiviert werden.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine Ladeschaltung für in Serie geschaltete Batteriezellen zur Homogenisierung der Ladungsverteilung.
Ausführungsvarianten
Der einzigen Figur ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Laden eines Batteriesystems mit einer Anzahl von in Serie geschalteten Einzelspannungsquellen zu entnehmen.
Aus der Zeichnung geht hervor, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ladeschaltung eine Spannungsquelle 10 aufweist, über die ein Batteriesystem 12 geladen wird. Das Batteriesystem 12 umfasst Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n, die in Serienschaltung 16 innerhalb des Batteriesystems 12 angeordnet sind. Die Anzahl der im Batteriesystem 12 angeordneten Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n ist beliebig. Von Bedeutung ist, dass die Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n in Serienschaltung 16 angeordnet sind. Dem Batteriesystem 12 gemäß der Darstellung in der Zeichnung ist eine Batterieladungssteuerung 24 zugeordnet.
Jede der Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n des Batteriesystems 12 verfügt über einen Bypass 18.1, 18.2, ... 18.n. Jeder der jeweils einer der Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n zugeordneten Bypasse 18.1, 18.2, ... 18.n kann der jeweiligen Einzelspannungsquelle 14.1, 14.2, ... 14.n zugeschaltet werden. In jedem der Bypasse 18.1, 18.2, ... 18.n kann zur Strombegrenzung seriell entweder mindestens ein Widerstand oder auch mindestens eine Induktivität angeordnet sein. Daneben ist jedem der Bypasse 18.1, 18.2, ... 18.n ein Bypass-Schalter 20.1, 20.2, ... 20.n zugeordnet. Des Weiteren ist in der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsvariante der Ladungsschaltung in jedem der Bypasse 18.1, 18.2, ... 18.n ein Spannungsmesser 26 enthalten. Anstelle des die jeweilige Spannung in den Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n überwachenden Spannungsmessers 26, kann den jeweiligen Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n auch ein Sensor zugeordnet sein, der entweder den durch die jeweilige Einzelspannungsquelle 14.1, 14.2, ... 14.n fließenden Strom misst bzw. den durch die jeweilige Einzelspannungsquelle 14.1, 14.2, ... 14.n fließenden Strom repräsentiert.
Mit I_L ist der von der Spannungsquelle 10 an das Batteriesystem 12 übertragene Ladungsstrom angedeutet. Mit I_By,1...n ist der Strom über die Bypasse 18.1, 18.2, ... 18.n identifiziert, mit I_Bz,1...n der sich über die jeweilige Einzelspannungsquelle 14.1, 14.2, ... 14.n einstellende Strom.
Durch die in der Zeichnung dargestellte Konfiguration der Ladeschaltung zur Ladung des Batteriesystems 12 wird die systemseitig vorhandene, von außen an das Batteriesystem 12 angeschlossene Spannungsquelle 10 zur Erreichung einer homogenen Ladungsverteilung innerhalb des Batteriesystems 12 eingesetzt. Für den Transport der Ladung zu den jeweiligen Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n sind keine Transformatoren erforderlich. ferner kann die Auswahl von Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n für das Barteriesystem 12 mit einer größeren Bandbreite, d.h. einer größeren Toleranz bestimmt werden.
Die homogenere Ladungsverteilung durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird dadurch erreicht, dass bei der Zuschaltung eines jeweiligen Bypasses 18.1, 18.2, ... 18.n zur jeweiligen Einzelspannungsquelle 14.1, 14.2, ... 14.n eine Entladung mit der jeweiligen Einzelspannungsquelle 14.1, 14.2, ... 14.n vermieden wird, indem die Höhe des Bypassstromes I_By,1...n durch eine getaktete Ansteuerung 24 des jeweiligen Bypassschalters 20.1, 20.1, ... 20.n geregelt wird. Die Regelung erfolgt derart, dass ein mittlerer Strom
aus den Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n näherungsweise 0 ergibt.
Die Stromregelung erfolgt gemäß der Beziehung
mit

I_By,1...n: = Strom über Einzelspannungsquellen-Bypass
I_Bz,1...n: = Strom über Einzelzelle
I_L: = Ladestrom

Zur Erfassung des Stroms I_Bz,1...n auf den Wert von ungefähr 0 kann einerseits die Spannung an den Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n mittels Spannungsmessern 26 erfasst werden. Die Spannung an den jeweiligen Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n darf den maximal zulässigen Grenzwert beim Ladevorgang nicht überschreiten. Andererseits kann der Strom über die jeweiligen Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n, bezeichnet durch I_Bz,1...n auch mit einem der jeweiligen Einzelspannungsquelle 14.1, 14.2, ... 14.n n zugeordneten Sensor, der entweder den Strom misst oder diesen repräsentiert, erfasst werden.
Die jeweiligen Bypasse 18.1, 18.2, ... 18.n werden an den Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n während des Aufladevorgangs des Batteriesystems 12 durch die extern angeordnete Spannungsquelle 10 jeweils dann aktiviert, wenn die Spannung an den jeweiligen Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n den maximal zulässigen Spannungswert erreicht. In diesem Falle sind diejenigen der Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n voll geladen und benötigen keine weitere Ladung durch den von der Spannungsquelle 10 eingespeisten Ladestrom I_L. Diejenigen der Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n mit ge ringeren Ladungszuständen haben ihren jeweiligen maximal zulässigen Spannungswert hingegen noch nicht erreicht und können durch die extern angeordnete Spannungsquelle 10 weiter geladen werden.
Der Ladevorgang ist dann beendet, wenn entweder alle Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n oder eine zuvor definierte Anzahl von Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n ihren maximal zulässigen Spannungswert erreicht haben.
Zur Beendigung des Ladevorgangs, d.h. des Einspeisens des Ladestroms I_L durch die Spannungsquelle 10 in das Batteriesystem 12 kann entweder der Bedingung „alle Zellen" oder der Bedingung „definierte Anzahl von Zellen mit maximal zulässigem Spannungswert aufgeladen" herangezogen werden. Dies ist abhängig vom Applikationszweck der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ladeschaltung für das Batteriesystem 12, oder abhängig von der zulässigen Verlustleistung, die von den Bypass-Schaltungen abgeführt werden kann.
Zum Schutz der Bypass-Schaltungen, insbesondere der Bypass-Schalter 20.1, 20.2, ... 20.n kann der Ladestrom I_L durch die Spannungs- bzw. Stromquelle 10 mittels einer Ansteuerung durch die Batterieladungssteuerung 24 begrenzt werden. Die Ladestrombegrenzung für den Ladestrom I_L kann insbesondere dann aktiviert werden, wenn ein oder mehrere der Bypasse 18.1, 18.2, ... 18.n aktiviert werden. Mit A sind Sensoren zur Erfassung des Stromes in den Einzelspannungsquellen 14.1 bis 14.n bezeichnet, die alternativ zu den Spannungsmessern 26 eingesetzt werden können. In den jeweiligen Bypässen 18.1 bis 18.n können Widerstände oder Induktivitäten in Serie geschaltet sein, ferner können die Bypass-Schalter 20.1 bis 20.n statt als diskreter Schalter auch als Halbleiterschalter ausgeführt sein.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zum Laden des Batteriesystems 12 kann eine inhomogene Ladungsverteilung innerhalb der Einzelspannungsquellen 14.1, 14.2, ... 14.n innerhalb des Batteriesystems 12 vermieden werden.

Claims

Vorrichtung zum Laden eines Batteriesystems (12) mit einer Anzahl von in Serienschaltung (16) angeordneten Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) durch eine Spannungsquelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass den Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) jeweils ein Bypass (18.1, ... 18.n) zugeordnet ist, über welchen ein Ladestrom (I_L) aus der Spannungsquelle (10) abhängig vom Ladezustand der Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) diesen zugeführt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die jeweiligen Bypasse (18.1, ... 18.n) jeweils mindestens ein Widerstand seriell geschaltet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den jeweiligen Bypassen (18.1, ... 18.n) jeweils mindestens eine Induktivität seriell geschaltet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den jeweiligen Bypassen (18.1, ... 18.n) jeweils eine getaktete Ansteuerung innerhalb einer Batterieladungssteuerung (24) zur Regelung der Höhe des Stroms (I_By,1...n) über die jeweilige Einzelspannungsquellen (18.1, ... 18.n) zugeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung des Stroms (I_By,1...n) gemäß
erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) jeweils ein Spannungsmesser (26.1, ... 26.n) zugeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) jeweils einen den Strom (I_Bz,1...n) messender oder den Strom (I_Bz,1...n) repräsentierender Sensor (A) zugeordnet ist.
Verfahren zum Laden eines Batteriesystems (12) mit einer Anzahl von Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) durch eine Spannungsquelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eines Stroms (I_Bz,1...n) in den Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) jeweils zugeordneten Bypassen (18.1, ... 18.n) durchgetaktete Ansteue rung eines den jeweiligen Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) zugeordneten Bypass-Schalters (20.1, ... 20.n), auf einen mittleren Strom
von ungefähr 0 erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregelung des Stroms (I_Bz,1...n) gemäß der Beziehung
erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sich an den Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) einstellenden Spannungen überwacht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Bypasse (18.1, ... 18.n) während des Ladungsvorgangs dann aktiv geschaltet werden, wenn die Spannung an den jeweiligen Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) den maximal zulässigen Spannungswert erreicht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladevorgang beendet wird, wenn entweder alle Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) oder eine vordefinierte Anzahl von Einzelspannungsquellen (14.1, ... 14.n) ihren maximal zulässigen Spannungswert erreicht haben.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzung des Ladestroms (I_L) dann erfolgen kann, wenn einer oder mehrere der Bypasse (18.1, ... 18.n) aktiviert werden.