DE102008059392A1

DE102008059392A1 - Method and device for charging batteries

Info

Publication number: DE102008059392A1
Application number: DE200810059392
Authority: DE
Inventors: Stephan Rudolph
Original assignee: Eoil Automotive & Technologies; Eoil Automotive & Technologies GmbH
Current assignee: Eoil Automotive & Technologies; Eoil Automotive & Technologies GmbH
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2010-06-02
Also published as: WO2010060400A2; WO2010060400A3

Abstract

g von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, wird jede Einzelzellenanordnung der Serienschaltung durch ein eigenes, von anderen Ladegeräten galvanisch getrenntes Ladegerät geladen.g of single-cell arrangements each consisting of one or more parallel-connected individual cells, each single-cell arrangement of the series circuit is charged by its own, galvanically isolated from other chargers charger.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.The The invention relates to a method and a device for charging of rechargeable batteries, which consist of a series connection of single cell arrangements from one or more individual cells connected in parallel consist, according to the preambles of claims 1 and 4.

Das Lade-/Entladeverhalten einzelner Zellen von Akkus gleichen Typs und gleicher Bauart kann innerhalb festgelegter Toleranzgrenzen unterschiedlich sein. Akkus mit hoher Nennspannung bestehen aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen, die jeweils nur Nennspannungen im einstelligen Volt-Bereich aufweisen.The Charging / discharging behavior of individual cells of rechargeable batteries of the same type and same design can within specified tolerance limits be different. High rated voltage batteries consist of one Series connection of single cell arrangements of one or each several parallel-connected single cells, each only rated voltages in the single-digit volts range.

Bei hoher Stromentnahme ist ein häufiges Laden nötig. Durch das unterschiedliche Lade-/Entladeverhalten der Einzelzellen kann es nach mehreren Lade-/Entladezyklen zu unterschiedlichen Ladezuständen kommen, die besonders in den Endzuständen, wie voll geladen oder vollständig entladen, durch Überladung bzw. Tiefentladung zu Schädigungen der Einzelzellen führen können. Zur Vermeidung solch unterschiedlicher Ladezustände müssten alle Einzelzellen des Akkus konsequent überwacht und rechtzeitig vor Erreichen der genannten Endzustände abgeschaltet werden.at high current drain is a frequent charge necessary. Due to the different charging / discharging behavior of the individual cells may occur after several charge / discharge cycles to different states of charge, especially in final states, such as fully charged or completely discharged, by overcharging or deep discharge to damage lead the individual cells can. To avoid such different states of charge all single cells of the Batteries consistently monitored and switched off in good time before reaching said end states become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, zu schaffen, die eine Überwachung von Einzelzellenanordnungen vereinfacht und eine Überladung verhindert.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus for charging batteries, consisting of a series connection of single-cell arrangements from one or more individual cells connected in parallel exist, to provide the one monitoring of single cell arrays simplified and overcharging prevented.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch Merkmale dieses Anspruchs und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 durch die Merkmale jenes Anspruchs gelöst.These Task is in a method according to the preamble of the claim 1 by features of this claim and in a device according to the preamble of claim 4 by the features of that claim solved.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.further developments and advantageous embodiments will be apparent from the respective Dependent claims.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Gegensatz zu einer Ladung der vollständigen Serienschaltung aus Einzelzellenanordnungen mit der Summenspannung keine vom Ladevorgang getrennte Balancierung erforderlich. Vielmehr wird jede Einzelzellenanordnung individuell geladen. Dadurch lassen sich beim Ladevorgang Unterschiede der Einzelzellenanordnungen berücksichtigen und eine Schädigung vermeiden. Außerdem können Ladegeräte eingesetzt werden, deren Leistung lediglich für die zugeordnete Einzelzellenanordnung bemessen ist.at the device according to the invention and the method of the invention is unlike a charge of full series connection off Single cell arrangements with the sum voltage none of the charging process separate balancing required. Rather, every single cell arrangement individually loaded. This can be different while charging take into account the single cell arrangements and avoid damage. Furthermore can Charger be used, their performance only for the associated single cell arrangement is measured.

Die Einzelzellenanordnungen können auf ihre jeweilige Nennspannung oder bis 80% ihrer maximalen Kapazität geladen werden.The Single cell arrangements can charged to their respective rated voltage or up to 80% of their maximum capacity become.

Dadurch lässt sich eine Überladung einzelner Zellen vermeiden und ein Kapazitätsverlust während Zellenlebensdauer verringern. Bei kurzen Ladezyklen treten nur geringe Unterschiede der Ladungszustände von in Serie zusammengeschalteten Einzelzellenanordnungen auf, wodurch zur Vermeidung einer Tiefentladung eine Überwachung von Untergruppen aus mehreren in Serie zusammengeschalteten Einzelzellenanordnungen ausreicht.Thereby let yourself an overload Avoid single cells and reduce capacity loss during cell life. With short charging cycles, only slight differences in the charge states of in series interconnected single cell arrangements, thereby To avoid a deep discharge monitoring of subgroups from several series-connected single-cell arrangements sufficient.

Die Einzelzellenanordnungen können wenigstens teilweise zeitversetzt geladen werden.The Single cell arrangements can at least partially delayed.

Dadurch kann die Leistungsentnahme zur Ladung an die verfügbare Leistungsabgabe einer Versorgungsquelle, z. B. Haushaltsstromanschluss, Wind- oder Solargenerator angepasst werden.Thereby may be the power draw to charge to the available power output a supply source, for. B. household electricity connection, wind or Solar generator can be adjusted.

Die Ladegeräte können Schaltnetzteile umfassen.The Charger can Switching power supplies include.

Dadurch werden elektrische Verluste der Ladegeräte minimiert.Thereby Electrical losses of the chargers are minimized.

Vorzugsweise sind die Schaltnetzteil-Ladegeräte marktübliche Massenware mit einer Leistung im 100 Watt-Bereich.Preferably are the switching power supply chargers standard market Bulk goods with a performance in the 100 watt range.

Derartige Ladegeräte sind kostengünstig und bereits zur Minimierung elektrischer Verluste entwickelt und ausgereift.such Charger are inexpensive and already developed and matured to minimize electrical losses.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.following we explained the invention with reference to an embodiment, the is shown in the drawing.

In der Zeichnung sind ein Akku 10 aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N sowie Ladegeräte L₁ ... L_N und eine Steuerschaltung 12 dargestellt. Die Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N bestehen aus jeweils einer Mehrzahl parallel geschalteter Einzelzellen 14 auf Lithium-Ionen-Basis. Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aus und haben keinen Memory-Effekt. Der Kapazitätsverlust während der Betriebszeit hängt vom Alter, der Betriebs- und Umgebungstemperatur und vom Ladezustand ab. Um den Kapazitätsverlust gering zu halten, ist ein Ladezustand zwischen 40% und 80% der Maximalladung anzustreben, der durch kurze Ladezyklen erreicht werden kann.In the drawing are a battery 10 from a series connection of single-cell arrangements Z ₁ ... Z _N as well as chargers L ₁ ... L _N and a control circuit 12 shown. The individual cell arrangements Z ₁ ... Z _N each consist of a plurality of parallel-connected individual cells 14 Lithium-ion-based. Lithium-ion batteries are characterized by a high energy density and low self-discharge and have no memory effect. The capacity loss during the operating time depends on the age, the operating and ambient temperature and the state of charge. In order to keep the capacity loss low, a state of charge between 40% and 80% of the maximum charge should be sought, which can be achieved by short charging cycles.

Die Nennspannung der Einzelzellen 14 hängt vom Katodenmaterial ab und liegt zwischen 3,3 und 3,8 Volt, bei konventionellen Lithium-Ionen-Akkus bei 3,6 Volt. Durch Parallelschalten von handelsüblichen Einzelzellen 14 mit einer Kapazität von je 2 Ah zu Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N und einer Serienschaltung derartiger Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N kann ein Akku für die benötigte Summenspannung N·U_Z, Leistung und Kapazität eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug ausgelegt werden.The nominal voltage of the single cells 14 depends on the cathode material and is between 3.3 and 3.8 volts, with conventional lithium-ion batteries at 3.6 volts. By parallel connection of commercially available single cells 14 with a capacity of 2 Ah each to single-cell arrangements Z ₁ ... Z _N and a series connection of such single-cell arrangements Z ₁ ... Z _N , a battery for the required sum voltage N · U _Z , power and capacity of an electric drive for a vehicle can be designed ,

Zum Laden des Akkus 10 ist jede Einzelzellenanordnung Z₁ ... Z_N mit einem eigenen, von anderen Ladegeräten galvanisch getrennten Ladegerät L₁ ... L_N verbunden. Die Ladegeräte L₁ ... L_N umfassen Schaltnetzteile, deren Leistung für die Ladeleistung der Einzelzellenanordnung Z₁ ... Z_N bemessen ist. Die Schaltnetzteile sind primärseitig an eine Versorgungsquelle 16, z. B. Haushaltsstromanschluss, Wind- oder Solargenerator angeschlossen. Die Ladegeräte L₁ ... L_N ihrerseits werden über Steuerleitungen S₁ ... S_N von der Steuerschaltung 12 gesteuert.To charge the battery 10 Each single cell arrangement Z ₁ ... Z _{N is} connected to its own charger L ₁ ... L _N, which is galvanically isolated from other chargers. The chargers L ₁ ... L _N comprise switched-mode power supplies whose power is dimensioned for the charging power of the single-cell arrangement Z ₁ ... Z _N. The switching power supplies are on the primary side to a supply source 16 , z. B. household electricity, wind or solar generator connected. The chargers L ₁ ... L _{N in} turn are via control lines S ₁ ... S _N from the control circuit 12 controlled.

Im Ladebetrieb werden je nach verfügbarer Anschlussleistung der Versorgungsquelle 16 die Ladegeräte L₁ ... L_N zeitlich versetzt oder gleichzeitig aktiviert. Steht für eine hohe Ladeleistung kein Drei-Phasen-Kraftstromanschluss zur Verfügung, können alternativ auch zwei oder weitere getrennt abgesicherte Ein-Phasen-Haushaltssteckdosen mit 230 V Spannung genutzt werden, an die getrennte Ladekabel mit gesonderten Ladegeräten angeschlossen werden. Bei drei 16 A Absicherungen könnte dann maximal ca. 10 kW Ladeleistung genutzt werden.In charging mode, depending on the available connection power of the supply source 16 the chargers L ₁ ... L _N offset in time or activated simultaneously. If no three-phase power connection is available for a high charging power, alternatively two or more separately fused single-phase household sockets with 230 V voltage can be used, to which separate charging cables with separate chargers are connected. With three 16 A fuses, a maximum of approx. 10 kW of charging power could then be used.

Die Steuerschaltung 12 überwacht den Ladezustand der Einzelzellenanordnung Z₁ ... Z_N und beendet die Ladung regulär, so bald die Nennspannung der Einzellzellen 14 oder 80% der Maximalladung erreicht sind. Für den Fall, dass im Anschluss an den Ladevorgang der Akku 10 im Betrieb gleich wieder entladen wird, können die Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N aber auch bis zu ihrer Ladeschlussspannung von ca. 4,2 V geladen werden.The control circuit 12 monitors the state of charge of the single-cell arrangement Z ₁ ... Z _N and terminates the charge regularly, so soon the nominal voltage of Einzellzellen 14 or 80% of the maximum charge is reached. In the event that after recharging the battery 10 during operation, the individual cell arrangements Z ₁ ... Z _{N can} however also be charged up to their charge end voltage of approximately 4.2V.

Im Entladebetrieb überwacht die Steuerschaltung 12 den Ladezustand der Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N und unterbricht regulär die Entladung, sobald der Ladzustand der Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N 40% der Maximalladung erreicht. Für den Fall, dass im Anschluss an den Entladevorgang der Akku 10 gleich wieder geladen wird, können die Einzelzellenanordnungen Z₁ ... Z_N aber auch bis zu ihrer Entladeschlussspannung von ca. 2,5 V entladen werden.In unloading mode, the control circuit monitors 12 the state of charge of the individual cell assemblies Z ₁ ... Z _N and regularly interrupts the discharge as soon as the state of charge of the single-cell arrangements Z ₁ ... Z _{N reaches} 40% of the maximum charge. In the event that after the discharge of the battery 10 is charged again, the single-cell arrangements Z ₁ ... Z _N but can also be discharged to its final discharge voltage of about 2.5V.

Claims

A method for charging of rechargeable batteries, which consist of a series circuit of single cell arrangements of one or more parallel single cells, characterized in that each single cell array of the series circuit is charged by a separate, galvanic isolated from other chargers charger.

Method according to claim 1, characterized in that that the single cell arrangements to their respective rated voltage or until 80% of their maximum capacity is loaded.

Method according to claim 1, characterized in that that the single-cell arrangements are at least partially time-delayed getting charged.

Device for charging batteries, consisting of a series circuit of single-cell arrangements of one or more individual cells connected in parallel exist, characterized in that each single cell array the series circuit with its own, galvanic from other chargers separate charger connected is.

Device according to claim 4, characterized in that that the maximum charging voltage of the chargers equal to the respective rated voltage of the single cell arrangements.

Apparatus according to claim 4 or 5, characterized that the chargers are coupled to a timing circuit, by means of the positional operations at least partly time-delayed controlled.

Device according to one of claims 4 to 6, characterized that the chargers switch mode power supplies include.

Device according to claim 7, characterized in that that the switching power supply chargers market commodity with a power in the 100 watt range are.

Device according to one of claims 4 to 6, characterized that the chargers In groups to several separately protected single-phase household sockets are connected with 230 V voltage.