-
Die
Erfindung betrifft den Betrieb einer elektrischen Batterie und insbesondere
ein Verfahren zum Vergleichmäßigen von
mehreren, in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie durch ein
Laden der Batterie mittels eines Ladestromes ("Cell-Equibrilierung"). Ferner betrifft
die Erfindung eine Ladesteuereinrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens.
-
Energiespeicher
in Form einer Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen
werden in vielen Anwendungsfällen
benötigt.
Ein Beispiel ist etwa die Automobilelektronik. Das elektrische Bordnetz
in einem modernen PKW hat vor allem für komfortablere Modelle seine
Leistungsgrenze bereits erreicht, wenn nicht sogar überschritten.
Bisher wurde als Energiespeicher für das Bordnetz zumeist eine
Bleibatterie verwendet. Damit auch in Zukunft weitere Komfort- und
Sicherheitsfunktionen Einzug ins Automobil halten können, die
aber auch oft einen erhöhten Strom-
bzw. Leistungsbedarf bedeuten, arbeiten die Automobilhersteller
an Lösungen,
um das Bordnetz und dessen Energiespeicher an die gestiegenen Anforderungen
anzupassen. Eine Möglichkeit
hierfür besteht
darin, alternativ oder zusätzlich
zur herkömmlichen
Bleibatterie eine Batterie mit den gewünschten Leistungseigenschaften
zu verbauen.
-
Beim
Betrieb einer Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen,
d. h. beim betriebsmäßigen Einspeichern
und Entnehmen von elektrischer Energie, tritt in der Praxis das
Phänomen einer
Verungleichmäßigung der
einzelnen Zellen spannungen auf. Dies ist jedoch insbesondere deshalb
nachteilig, weil damit das Energiespeichervermögen bzw. die Energiespeichereffizienz
der Batterie leidet. Gemäß einer
auf internen betrieblichen Kenntnissen der Anmelderin beruhenden
Technik wurde daher eine Betriebsstrategie für eine Batterie vorgesehen,
bei welcher der Batterie eine Elektronik zugeordnet ist, welche
die einzelnen Zellen der Batterie überwacht und von Zeit zu Zeit
eine Vergleichmäßigung bzw. "Equibrilierung" bewirkt. Die Strategie
besteht darin, sämtliche
Zellen in der Nähe
ihrer maximal zulässigen
Ladespannung auf ein wenigstens annähernd gleiches Spannungsniveau
zu bringen. Ein derart vergleichmäßigter bzw. "balancierter" Energiespeicher
erlaubt sodann wieder vorteilhaft eine vollständige Nutzung der vorhandenen
Energiespeicherkapazität.
-
Das
bislang verwendete Verfahren zum Vergleichmäßigen der Batteriezellen sowie
eine sich daraus ergebende Problematik seien beispielhaft anhand
der 1 und 2 erläutert.
-
1 zeigt
eine Batterie 10, die sowohl mit einer Ladeeinheit 12 als
auch mit einem Bordnetz 14 eines Fahrzeugs, beispielsweise
Kraftfahrzeugs verbunden ist.
-
In
an sich bekannter Weise enthält
die Batterie 10 eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten
(nicht dargestellt) Zellen 16-1, 16-2, ..., 16-n,
in denen die elektrische Energie gespeichert wird und die nachfolgend
einzeln oder in ihrer Gesamtheit auch mit der Bezugszahl 16 bezeichnet
werden (n bezeichnet die Anzahl der Batteriezellen).
-
Ferner
erkennt man eine baulich mit den Zellen 16 zusammengefasste
Elektronik 18, die für
den Betrieb der Batterie 10 und insbesondere die Überwachung
der Zellen 16 verantwortlich ist.
-
Eine
Aufgabe der Elektronik 18 besteht darin, die Zellen 16-1 bis 16-n von
Zeit zu Zeit immer wieder zu vergleichmäßigen, d. h. in der Nähe ihrer maximal
zulässigen
Spannung auf ein im Wesentlichen gleiches Spannungsniveau zu bringen.
Dieser für
das Energiespeichervermögen
vorteilhafte Batteriezustand wird nachfolgend auch als "balancierter Zustand" bezeichnet.
-
2 veranschaulicht
das bislang verwendete Verfahren für eine solche Vergleichmäßigung der
Zellen 16-1 bis 16-n. Die Figur zeigt den Verlauf der
Zellenspannungen U während
der Vergleichmäßigung im
Laufe der Zeit t.
-
Lediglich
beispielhaft sind hier die Zellenspannungen U von 4 Zellen eingezeichnet,
wobei der zu Beginn der Vergleichmäßigung (t = 0) kleinste Zellenspannungswert
mit Ucmin0 und der zu diesem Zeitpunkt größte Zellenspannungswert mit
Ucmax0 bezeichnet ist. Selbstverständlich könnten abweichend von der Darstellung
auch mehr oder weniger als 4 Batteriezellen vorhanden sein.
-
Im
Verlauf der nachfolgend detaillierter beschriebenen Vergleichmäßigung werden
sämtliche Zellenspannungen
U auf ein im Wesentlichen gleiches Spannungsniveau (in der Figur
etwa bei Ubon bzw. Uboff) gebracht, wie es im rechten Teil der Zeitverlaufsdarstellung
ersichtlich ist.
-
Das
Verfahren funktioniert wie folgt:
Zunächst wird die Batterie 10 und
somit deren in Reihe geschaltete Zellen 16-1 bis 16-n mittels
eines vorbestimmten (hier: konstanten) Ladestromes I geladen.
-
Die
Elektronik 18 überwacht
hierbei laufend die einzelnen Zellenspannungen U und detektiert
einen nachfolgend als "Überspannungsfall" bezeichneten Fall,
in welchem wenigstens eine Zellenspannung eine vorbestimmte obere
Schwelle Ubon erreicht hat.
-
In
der Darstellung von 2 wird die obere Schwelle Ubon
zuerst von der mit Ucmax bezeichneten Zellenspannung ("maximale Zellenspannung") erreicht, welche
auch zu Beginn des Verfahrens den größten Wert (Ucmax0) besaß.
-
Bei
Detektion des Überspannungsfalls
bewirkt die Elektronik 18 (ggf. in Zusammenwirkung mit der
Ladeeinheit 12) eine Abschaltung des Ladestromes I und
die Aktivierung eines Bypass-Strompfads für die betreffende(n)
Zelle(n). Zu diesem Zweck sind wie aus 1 ersichtlich
Bypass-Widerstände 20-1 bis 20-n vorgesehen,
die jeweils einer der Zellen 16-1 bis 16-n parallel
geschaltet sind und durch Schließen eines in Reihe dazu angeordneten
Schalters 22-1, 22-2, ... bzw. 22-n aktivierbar
sind. Im Überspannungsfall
werden der oder die betreffenden Schalter durch die Elektronik 18 entsprechend
angesteuert.
-
In
der nachfolgenden "Überspannungsphase" werden diejenigen
der Zellen 16, welche eine vergleichsweise niedrige momentane
Zellenspannung aufweisen, insbesondere z. B. die Zelle mit der "minimalen Zellenspannung" Ucmin, mangels Ladestrom nicht
weiter geladen und werden ihre momentane Zellenspannung beibehalten,
wie aus 2 ersichtlich. Demgegenüber werden
diejenigen der Zellen 16, welche im Verlauf des Vergleichmäßigungsverfahrens
die obere Schwelle Ubon bereits einmal erreicht haben, in der Überspannungsphase
entladen. Dies deshalb, weil die von den betreffenden Bypass-Widerständen gebildeten
Bypass-Strompfade aktiviert sind. Die betreffenden Zellenspannungen nehmen
in dieser Phase also wieder ab.
-
Sobald
die Elektronik 18 detektiert, dass die Zellenspannung einer
Zelle 16 aufgrund des aktivierten Bypass-Strompfads eine
untere Schwelle Uboff erreicht hat, werden die betreffenden Bypass-Strompfade
wieder deaktiviert und der Ladestrom wieder eingeschaltet.
-
Insgesamt
ergibt sich hierbei die in 2 dargestellte
allmähliche
Vergleichmäßigung der
Zellen 16-1 bis 16-n, wobei die Elektronik 18 die
Vergleichmäßigung dann
beendet, wenn ein vorbestimmtes "Vergleichmäßigungskriterium" erfüllt ist.
-
Im
dargestellten Beispiel besitzen die beschriebenen Spannungen folgende
Werte:
Ubon = 2,60 V
Uboff = 2,45 V
Ucmax0 = 2,31
V
Ucmin0 = 1,95 V
-
Selbstverständlich sind
diese Werte jedoch nur als beispielhaft zu betrachten und variieren
von Fall zu Fall.
-
Im
dargestellten Beispiel könnte
das Vergleichmäßigunskriterium
beispielsweise darin bestehen, dass sämtliche Zellenspannungen U
im Bereich von Uboff bis Ubon liegen. Nach dieser Vergleichmäßigung erfolgt
sodann wieder ein normaler Batteriebetrieb, bei welchem die Ladeeinheit 12 in
Abhängigkeit
der Batteriespannung (= Summe der einzelnen Zellenspannungen) einen
Ladestrom bzw. Nachladestrom steuert oder regelt.
-
Die
oben beschriebene Vergleichmäßigung kann
in festen Zeitintervallen und/oder bedarfsgerecht ausgelöst werden
(z. B. bei Erfüllung
eines "Ungleichmäßigkeitskriteriums" durch die momentanen Zellenspannungen).
-
Nachteilig
ist bei dem bislang verwendeten Verfahren zur Vergleichmäßigung vor
allem die hierfür
erforderliche Zeitdauer.
-
Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches
und rasches Verfahren zum Vergleichmäßigen von mehreren, in Reihe
geschalteten Zellen einer Batterie bereitzustellen.
-
Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, die zur Vergleichmäßigung erforderliche
Zeit dadurch zu verringern, dass Phasen vermieden werden, in welchen
Zellen mit vergleichsweise niedriger Zellenspannung nicht aufgeladen
werden (vgl. z. B. flache Kurvenabschnitte in 2).
-
Gemäß eines
ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren
nach Anspruch 1 gelöst.
-
Demnach
ist ein Verfahren zum Vergleichmäßigen von
mehreren, in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie durch ein
Laden der Batterie mittels eines Ladestromes vorgesehen, wobei für die Zellen, deren
Zellenspannung eine obere Schwelle (Ubon) erreicht hat, jeweils
ein Bypass-Strompfad aktiviert wird, der wieder deaktiviert wird,
sobald die betreffende Zellenspannung eine untere Schwelle (Uboff)
erreicht hat.
-
Bei
diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird
der Ladestrom bei Erreichen des Überspannungszustandes
jedoch nicht auf Null, sondern auf einen von Null verschiedenen
Wert reduziert. Damit erfolgt vorteilhaft auch während der Überspannungsphasen eine gewisse
Aufladung der Zellen mit noch zu geringer Zellenspannung. Somit
kann die insgesamt zur Vergleichmäßigung benötigte Zeit verringert werden.
-
Bevorzugt
ist der Ladestrom mit einem wenigstens annähernd konstanten Wert vorgesehen, solange
die maximale Zellenspannung die obere Schwelle noch nicht erreicht
hat. Der Wert dieses Ladestromes und/oder der verwendeten Schwellen können z.
B. in Abhängigkeit
von der Temperatur oder der bislang verstrichenen Betriebszeit der
Batterie vorgesehen sein.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Ladestrom nach seiner Reduzierung einen
Wert besitzt, der im Wesentlichen dem Bypass-Strom der Zelle mit
der maximalen Zellenspannung entspricht. In diesem Fall ergibt sich
für die Zelle
mit der maximalen Zellenspannung im Überspannungszustand eine im
Wesentlichen konstante Zellenspannung (entsprechend der oberen Schwelle).
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Ladestrom um wenigstens 80%, insbesondere
wenigstens 90%, reduziert wird.
-
Die
obige Aufgabe wird gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren nach
Anspruch 5 gelöst,
also ein Verfahren zum Vergleichmäßigen von mehreren, in Reihe
geschalteten Zellen einer Batterie durch ein Laden der Batterie
mittels eines Ladestromes, wobei für die Zellen, deren Zellenspannung
eine obere Schwelle (Ubon) erreicht hat, jeweils ein Bypass-Strompfad aktiviert
wird, der wieder deaktiviert wird, sobald die betreffende Zellenspannung
eine untere Schwelle (Uboff) erreicht hat, und wobei der Ladestrom
reduziert wird, sobald die minimale Zellenspannung eine vor bestimmte
Schwelle, insbesondere die untere Schwelle (Uboff), erreicht hat.
-
Bei
diesem Verfahren wird der Strom nach Erreichen des Überspannungszustandes
nicht sofort sondern erst nach einer gewissen "Nachlaufzeit" reduziert. Auch bei dieser Verfahrensvariante
wird die Zeit während
der Vergleichmäßigung sehr
effizient genutzt.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Ladestrom bis zu seiner Reduzierung mit
einem wenigstens annähernd
konstanten Wert vorgesehen. Auch können hierbei der Wert des Ladestromes
und/oder die verwendeten Schwellen in Abhängigkeit von Messgrößen vorgesehen
werden.
-
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Ladestrom auf einen Wert von Null reduziert wird.
-
Für die Wahl
der Schwelle, deren Erreichen die Reduzierung des Ladestromes auslöst, gibt
es vielfältige
Möglichkeiten.
Gemäß einer
Ausführungsform
ist beispielsweise vorgesehen, dass die Reduzierung des Ladestromes
dann erfolgt, wenn die minimale Zellenspannung die untere Schwelle
erreicht. Die Schwelle kann aber auch z. B. irgendwo innerhalb des
Bereiches liegen, der von der unteren und der oberen Schwelle begrenzt
wird.
-
Die
Mittel zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
sei es dessen erste und/oder zweite Variante, können in einer extern von der
Batterie vorgesehen Ladeeinheit und/oder in einer baulich mit der
Batterie zusammengefassten Steuerelektronik vorgesehen sein.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die untere Schwelle größer als eine im gewöhnlichen
Betrieb der Batterie maximal erreichte Zellenspannung.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist
die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle kleiner
als 20%, insbesondere kleiner als 10%, der oberen Schwelle.
-
Bei
den Zellen der betreffenden Batterie handelt es sich bevorzugt um
eine Mehrzahl identisch ausgebildeter Zellen. Die Batterie kann
z. B. mehr als 5, mehr als 10 oder sogar mehr als 20 in Reihe geschaltete
Zellen aufweisen. Insbesondere zur Bereitstellung einer vergleichsweise
großen
Versorgungsspannung für
ein Hybridfahrzeug (z. B. einige 102 V) ist
z. B. eine Anzahl von etwa 100 Zellen nicht ungewöhnlich.
-
Der
Bypass-Strompfad umfasst bevorzugt eine Reihenschaltung aus einem
Widerstand und einem Transistor (insbesondere z. B. FET).
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 eine
einerseits mit einer Ladeeinheit und andererseits mit dem Bordnetz
eines Automobils verbundene Batterie,
-
2 eine
Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Vergleichmäßigung der Zellen
der Batterie von 1,
-
3 eine
der 2 entsprechende Darstellung zur Veranschaulichung
eines erfindungsgemäßen Verfah rens
zur Vergleichmäßigung,
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
-
4 eine
Darstellung zur Veranschaulichung eines zeitlichen Ladestromverlaufs
bei dem Verfahren gemäß 3,
und
-
5 eine
den 3 und 4 entsprechende Darstellung
zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergleichmäßigung,
gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
-
Die
Details eines mit den 1 und 2 veranschaulichten
Verfahrens zur Vergleichmäßigung von
Batteriezellen und dessen Nachteile wurden oben bereits erläutert.
-
Die 3 und 4 veranschaulichen
ein hinsichtlich des Zeitaufwands zur Vergleichmäßigung verbessertes Verfahren,
welches beispielsweise bei der in 1 dargestellten
Batterieanordnung durchgeführt
werden kann.
-
3 ist
eine der 2 entsprechende Darstellung
des zeitlichen Verlaufs von Zellenspannungen U während der Vergleichmäßigung,
wobei der Einfachheit halber von den betreffenden Zellenspannungen
lediglich die minimale Zellenspannung Ucmin und die maximale Zellenspannung
Ucmax eingezeichnet sind.
-
Im
Unterschied zu der eingangs erläuterten Betriebsstrategie
wird ein Ladestrom I (4) bei Erreichen des Überspannungszustands
(Ucmax erreicht die obere Schwelle Ubon) nicht auf Null sondern
auf einen von Null verschiedenen Wert Ibal reduziert.
-
Der
Strom I wird bei diesem Ausführungsbeispiel
auf ein Maß reduziert,
das durch die Entladewiderstände
bzw. Bypass-Widerstände 20 abgeleitet werden
kann, ohne einen Spannungsanstieg der betreffenden Zellen oder eine
thermische Überlastung der
Widerstände
zu verursachen. Die Zellen 16, die noch keine Überspannung
zeigen, werden mit dem reduzierten (kleinen) Strom Ibal geladen,
bis auch diese eine gewünschte
Spannung (z. B. "Überspannung") zeigen, d. h. die
Zellen mit vergleichsweise geringer Spannung werden aktiv nachgeladen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
dauert dieser Vorgang so lange, bis ein vorbestimmtes "Vergleichmäßigungskriterium" erreicht ist.
-
In
den 3 und 4 sind gestrichelt außerdem die
Spannungs- bzw.
Stromverläufe
des eingangs erläuterten,
eher nachteiligen Verfahrens mit eingezeichnet.
-
5 veranschaulicht
in einer kombinierten Zeitverlaufsdarstellung der Zellenspannungen
U und des Ladestromes I eine alternative Möglichkeit, die benötigte Zeit
zur Vergleichmäßigung der
Zellen 16 zu verringern.
-
Bei
diesem Verfahren wird der Ladestrom I nicht sofort reduziert, wenn
der Überspannungszustand
für die
maximale Zellenspannung Ucmax erreicht wird. Vielmehr wird sodann
ein Nachlauf aktiviert, der noch eine bestimmte Ladungsmenge in
die Zellen 16 fließen
lässt.
Erst wenn die Zellenspannungen der übrigen Zellen ein vorbestimmtes
Kriterium erfüllen,
wird der Ladestrom reduziert (hier: abgeschaltet).
-
Das
vorbestimmte Kriterium kann z. B. darin bestehen, dass sämtliche
Zellen die untere Schwelle Uboff erreicht (oder überschritten) haben.
-
Bei
diesem Verfahren wird die Zelle mit der maximalen Zellenspannung
zeitweise überladen
(auf eine Spannung Umax), was jedoch durch die zeitnah erfolgende
Entladung der betreffenden Zelle in der Praxis zumeist hinnehmbar
ist.
-
In
einer Weiterbildung kann auch vorgesehen sein, dass die Reduzierung
des Ladestromes spätestens
dann ausgelöst
wird, wenn die maximale Zellenspannung Ucmax eine "kurzzeitig zulässige Maximalspannung" erreicht hat, wobei
diese Maximalspannung so gewählt
werden sollte, dass die kurzzeitige Überladung einer Zelle deren
Lebensdauer nicht nachhaltig beeinträchtigt. Nach Ablauf einer vorbestimmten
Wartezeit oder auf eine Erfüllung
eines Wiederstartkriteriums kann der Vergleichmäßigungsprozess dann wieder
fortgesetzt werden.
-
Unabhängig davon
kann auch vorgesehen sein, dass der Nachlauf abhängig von der Batterietemperatur
zugelassen wird, also insbesondere z. B. kein Nachlauf bei vergleichsweise
hohen Temperaturen (über
einer bestimmten Temperaturschwelle) zugelassen wird. Dies kann
dazu beitragen, die Zellen durch den Vergleichmäßigungsvorgang nicht übermäßig zu belasten
(hohe Spannungen und hohe Temperatur wirken sich oftmals negativ
auf die Lebensdauer von Batteriezellen aus).
-
Mit
den beschriebenen Verfahren kann der Zeitaufwand ohne zusätzlichen
Hardwareaufwand verringert werden. Die Verkürzung der erforderlichen Zeitdauer
lässt sich
durch eine verbesserte Betriebsführung
der beschriebenen Art erreichen. Durch ein aktives gleichmäßiges Nachladen
der Zellen mit zu niedriger Spannung (erster Erfindungsaspekt) bzw. das
gleichzeitige Entladen aller Zellen über die Bypass-Strompfade (zweiter
Erfindungsaspekt) und das daraus folgende Wegfallen der Wartezeit,
bis die Hysterese der Überspannungserkennung
ein weite res Laden des Energiespeichers zulässt, verkürzt sich die Zeit, die zum
Vergleichmäßigen insgesamt benötigt wird.
-
Die
Verkürzung
des Vergleichmäßigungsvorgangs
erhöht
vorteilhaft die zeitliche Verfügbarkeit der
betreffenden Batterie. Da das Vergleichmäßigen zweckmäßigerweise
in der Nähe
der zulässigen
maximalen Spannung der Batterie erfolgt, sollte während dieses
Vorganges das Spannungsniveau der Batterie wenigstens annähernd gehalten
werden. Dies hat zur Folge, dass eine Stromentnahme während der
Vergleichmäßigung vermieden
werden sollte. In einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass bei einer benötigten Stromentnahme ein etwaig
laufender Vergleichmäßigungsvorgang
abgebrochen wird. Aufgrund der gemäß der Erfindung rascher durchgeführten Vergleichmäßigung erhöht sich
auch bei etwaigen Abbrüchen
von Vergleichmäßigungsvorgängen die
mittlere Leistungsfähigkeit
des Systems, da durch die vorgeschlagenen Verfahren die einzelnen Zellenspannungen
zum Zeitpunkt eines solches Abbruches bereits eher angeglichen sind
als bei der eingangs beschriebenen "Zweipunkt-Regelung".
-
Des
Weiteren werden durch den eher kontinuierlichen Betrieb bei kleiner
Leistung (kleiner Ladestrom) der betreffenden Ladeeinheit (z. B. DC/DC-Wandler)
bzw. den Nachlauf auch leitungsgebundene Störaussendungen (speziell z.
B. Ein- und – ausschalt-Transienten)
reduziert.
-
Der
größte Vorteil
gegenüber
der eingangs beschriebenen Zweipunktregelung kann aus der Kombination
der beiden oben beschriebenen Strategievarianten erzielt werden.
Im Anwendungsfall einer Kraftfahrzeugbatterie kann z. B. nach längeren Standzeiten
des betreffenden Fahrzeugs und/oder in regelmäßigen Abständen das Verfahren mit dem "Nachlauf" aktiviert werden,
wohingegen während des "Normalbetriebs" bzw. bei jeder günstigen
Gelegenheit das Verfahren mit dem beschriebenen "konstanten Nachladen" vorgesehen sein kann.