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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”).
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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.
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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 Zellenspannungen auf. Dies ist jedoch insbesondere deshalb nachteilig, weil damit das Energiespeichervermogen bzw. die Energiespeichereffizienz der Batterie leidet. GemäB 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 Nahe 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.
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Das bislang verwendete Verfahren zum Vergleichmäßigen der Batteriezellen sowie eine sich daraus ergebende Problematik seien beispielhaft anhand der 1 und 2 erläutert.
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1 zeigt eine Batterie 10, die sowohl mit einer Ladeeinheit 12 als auch mit einem Bordnetz 14 eines Fahrzeugs, beispielsweise Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Vergleichmaßigungsverfahrens 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.
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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.
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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.
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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
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Selbstverständlich sind diese Werte jedoch nur als beispielhaft zu betrachten und variieren von Fall zu Fall.
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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.
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Die oben beschriebene Vergleichmäßigung kann in festen Zeitintervallen und/oder bedarfsgerecht ausgelöst werden (z. B. bei Erfüllung eines ”Ungleichmäßigkeitskriteriums” durch die momentanen Zellenspannungen).
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Nachteilig ist bei dem bislang verwendeten Verfahren zur Vergleichmäßigung vor allem die hierfür erforderliche Zeitdauer.
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Die
DE 101 00 945 A1 offenbart ein Verfahren zum Laden von seriell geschalteten Batteriezellen mittels eines gemeinsamen Ladestromes, bei dem die Zellspannung einzelner oder aller Zellen mit einem Festwert verglichen und nach überschreiten des Festwertes ein Signal an eine Logik weitergeleitet wird, in dessen Folge ein Bypassstrom und/oder der Gesamtladestrom beeinflusst wird. Dabei werden jedoch die Zellspannungen jeweils zweier Batteriezellen mittels einer Spannungsvergleichsschaltung verglichen und der Ladestrom der Batteriezelle mit der jeweils höheren Spannung nach überschreiten einer vorbestimmten Differenz der Zellspannungen mindestens teilweise geshuntet.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und rasches Verfahren zum Vergleichmäßigen von mehreren, in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie bereitzustellen.
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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).
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Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Demnach ist ein Verfahren zum Vergleichmäßigen der Zellenspannungen 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.
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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.
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Bevorzugt ist der Ladestrom mit einem wenigstens annahernd 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.
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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).
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ladestrom um wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90%, reduziert wird.
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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 vorbestimmte Schwelle, insbesondere die untere Schwelle (Uboff), erreicht hat.
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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.
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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.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ladestrom auf einen Wert von Null reduziert wird.
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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.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die untere Schwelle größer als eine im gewohnlichen Betrieb der Batterie maximal erreichte Zellenspannung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform ist die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle kleiner als 20%, insbesondere kleiner als 10%, der oberen Schwelle.
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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.
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Der Bypass-Strompfad umfasst bevorzugt eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Transistor (insbesondere z. B. FET).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine einerseits mit einer Ladeeinheit und andererseits mit dem Bordnetz eines Automobils verbundene Batterie,
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2 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Vergleichmäßigung der Zellen der Batterie von 1,
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3 eine der 2 entsprechende Darstellung zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergleichmaßigung, gemäß einer ersten Ausführungsform,
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4 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines zeitlichen Ladestromverlaufs bei dem Verfahren gemäß 3, und
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5 eine den 3 und 4 entsprechende Darstellung zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vergleichmäßigung, gemaß einer weiteren Ausführungsform.
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Die Details eines mit den 1 und 2 veranschaulichten Verfahrens zur Vergleichmäßigung von Batteriezellen und dessen Nachteile wurden oben bereits erläutert.
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Die 3 und 4 veranschaulichen ein hinsichtlich des Zeitaufwands zur Vergleichmäßigung verbessertes Verfahren, welches beispielsweise bei der in 1 dargestellten Batterieanordnung durchgeführt werden kann.
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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.
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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.
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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.
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In den 3 und 4 sind gestrichelt außerdem die Spannungs- bzw. Stromverläufe des eingangs erläuterten, eher nachteiligen Verfahrens mit eingezeichnet.
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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.
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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).
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Das vorbestimmte Kriterium kann z. B. darin bestehen, dass sämtliche Zellen die untere Schwelle Uboff erreicht (oder überschritten) haben.
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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.
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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.
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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).
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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 Uberspannungserkennung ein weiteres Laden des Energiespeichers zulässt, verkürzt sich die Zeit, die zum Vergleichmäßigen insgesamt benötigt wird.
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Die Verkürzung des Vergleichmäßigungsvorgangs erhöht vorteilhaft die zeitliche Verfügbarkeit der betreffenden Batterie. Da das Vergleichmäßigen zweckmäßigerweise in der Nähe der zulassigen 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”.
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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.
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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 regelmaßigen Abstanden 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.
