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Stand der Technik
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Stand
der Technik ist es, bei in Serie geschalteten Akkuzellen bzw. parallelen
Zellverbänden Ausgleichsschaltungen
einzusetzen, etwa um fertigungsbedingte oder durch unterschiedliche
Zellalterung entstehende Zellunterschiede auszugleichen. Diese Ausgleichsschaltungen
regulieren den Ladestrom, in dem stärker oder bereits vollständig geladener
Zellen in geeigneter Weise einen reduzierten Ladestrom erhalten
oder ganz von der weiteren Ladung ausgenommen werden, damit letztlich
alle Zellen in den gleichen Ladezustand versetzt werden. Dazu sind üblicherweise
präzise
Messanordnungen nötig, die
alle Teilspannungen der Serienschaltung, die jeweils der Spannung
einer Zelle entsprechen, ermitteln und die beim Erreichen einer
bestimmten Spannung die korrespondierende Zelle bzw. parallelen Zellverbund
teilweise oder ganz vom weiteren Ladevorgang ausschließen. Üblicherweise
geschieht dies dadurch, dass der Ladestrom über einen Bypass an den Zellen
ganz oder teilweise vorbeigeleitet wird. Übliche Ausgleichsschaltungen
bestehen somit mindestens aus Messvorrichtungen und Ladestromsteuerungen.
Die eigentliche Ladeschaltung ist von diesen Ausgleichsschaltungen üblicherweise
getrennt.
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Kritik am Stand der Technik
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Ein
Nachteil dieser üblichen
Anordnung ist der relativ große
Aufwand an präziser
Analogelektronik, die zwar auf unterschiedliche Weise realisiert werden
kann, jedoch zwingend erforderlich ist, und oder der bei teilweise
digital arbeitenden Systemen erforderliche relativ hochauflösende Analog-Digitalwandler zur
Messung der Zellenspannungen, die für einen wirkungsvollen Ausgleich
der Ladezustände sehr
präzise
ermittelt werden müssen,
was dadurch erschwert wird, dass die Teilspannungen in der Serienschaltung
kein gemeinsames Potential besitzen. Ein weiterer Nachteil ist die
in den Bypässen
entstehende Verlustleistung, weswegen diese Ausgleichsschaltungen
gewöhnlich
lediglich während
des Ladevorgangs, nicht jedoch während
des Entladevorgangs aktiviert werden, obwohl ein Ausgleich auch während der
Entladung vorteilhaft wäre.
Ein weiterer Nachteil ist die weitgehende oder vollständige Trennung
der Ausgleichsschaltung von der eigentlichen Ladeschaltung.
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Vorteile der Erfindung
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Verfahren
und Vorrichtung dieser Erfindung steuern den Ladungsausgleich auf
eine neuartige Weise, die ganz ohne Ermittlung der Zellenspannungen
auskommt. Dadurch kann der schaltungstechnische Aufwand reduziert
und auf präzise
Analogelektronik ganz oder weitgehend verzichtet werden. Ausgleichsfehler,
die durch eine endliche Präzision
der Spannungsmessung entstehen können,
werden somit grundsätzlich
eliminiert. Zudem besitzt die erfindungsgemäße Anordnung die Fähigkeit,
die Zellen nicht nur in ihrem Ladezustand anzugleichen; sie kann
quasi nebenbei auch die Funktion einer Ladeschaltung übernehmen
oder mit üblichen
Ladegeräten
zusammenarbeiten und Teilspannungen zur Verfügung stellen. Um diese Ausgleichs-
bzw. Energietransferfunktionen zu realisieren, werden erfindungsgemäß Ladungen
zwischen den Zellen eines Akkusystems und ggf. weiterer Anordnungen
ausgetauscht. Dieser Ladungsaustausch erfolgt weitgehend verlustleis tungsfrei über mindestens
einen Kondensator und eine zugehörige
gesteuerte Schaltmatrix. Diese Anordnung kann sowohl einen Ausgleich der
Zellen untereinander bewirken als auch eine extern eingebrachte
Ladung an bestimmte Zellen abgeben und damit deren Ladung erhöhen. Dieser
Ladungsaustausch kann auch währen
des Entladevorganges vorteilhaft stattfinden, um die Zellen stets
optimal anzupassen, aber auch um etwa eine im versorgten Gerät benötigte Teilspannung
zu generieren.
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Beschreibung
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Erfindungsgemäß wird der
Ladungsausgleich und, sofern erwünscht,
der Ladevorgang oder die Erzeugung einer Teilspannung bzw. mehrerer Teilspannungen
für das
vom Akkusystem versorgte Gerät
durch eine Transfereinheit gemäß 1 bewerkstelligt.
Für den
eigentlichen Ladungstransfer zwischen den auszugleichenden und oder
zu ladenden Zellen bzw. zu Teilspannungsausgängen ist ein geeigneter, ausreichend
groß dimensionierter
Kondensator 1 vorgesehen. Dieser Kondensator 1 kann im
einfachsten Fall fest mit den beiden Anschlüssen A und B der Transfereinheit
verbunden werden; er kann jedoch auch mittels des Transferschalters 3 mit den
beiden Anschlüssen
A und B verbunden und damit steuerbar für die dosierte Aufnahme oder
Abgabe von Ladungen aktiviert werden. Die optionale Strommesseinrichtung 2 kann
dazu dienen, die aufgenommene Ladung zu quantifizieren. Um die Transfereinheit
von den restlichen Komponenten des Systems getrennt zu versorgen,
was etwa dann erforderlich wird, wenn die Transfereinheit zusätzliche
Elektronik erhält,
kann ausgehend von der an den Anschlussklemmen A und B anliegenden
Spannung mittels des Versorgungsmoduls 4 eine Versorgungsspannung gewonnnen
werden. Eine einfache Realisierung des Moduls besteht aus mindestens
einem Kondensator und einer vorgeschalteten Diode, es kann aber
auch einen Spannungsregler besitzen. Die Transfereinheit kann für weiter
unten beschriebene Zwecke um einen Mikrokontroller 5 ergänzt werden,
der über
das notwendigerweise potentialgetrennte Interface 6 in
der Lage ist, Daten mit den restlichen Komponenten des Systems auszutauschen
oder für
externe Zwecke auch direkt über
eine Schnittstelle zusätzlichen
Geräten,
die an das System angeschlossen sind, Daten bereitzustellen oder
von externen Geräten
Daten zu lesen.
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Da
ein Ladungsausgleich erst stattfindet, wenn die Transfereinheit
zwischen mindestens zwei Positionen, z. B. zwei Akkuzellen oder
Zellverbänden,
hin- und hergeschaltet wird, bedarf es einer ergänzenden Schaltmatrix 200,
wie sie in 2 exemplarisch dargestellt ist.
Am Beispiel von hier lediglich drei Akkuzellen, mit 7a bis 7c bezeichnet,
soll das Funktionsprinzip erläutert
werden. Die Schaltmatrix 200, bestehend aus den beiden
Wahlschaltern 8a und 8b, die, symbolisiert durch
die Verbindung 8c, stets gemeinsam eine der drei möglichen
Positionen einnehmen, verbinden die Transfereinheit 100 mit den
beiden Polen jeweils einer Zelle, beispielsweise bei den eingezeichneten
Schalterstellungen mit der Zelle 7a, in der Weise, dass
der Anschluss A der Transfereinheit dem negativen und der Anschluss
B der Transfereinheit dem positiven Pol der Zelle zugeordnet wird.
Der Kondensator 1 der Transfereinheit wird sich jetzt an
das Potential der ausgewählten
Zelle 7a angleichen. Für
den Fall, dass ein Transferschalter 3 vorgesehen ist, findet
der Angleichungsprozess erst statt, sobald der Schalter geschlossen ist.
Im nächsten
Schritt wechseln die Wahl schalter 8a und 8b innerhalb
der Schaltmatrix 200 ihre Schaltposition, beispielsweise
um die Zelle 7b mit der Transfereinheit zu verbinden. Vorausgesetzt
der Transferschalter, falls vorgesehen, ist wieder oder noch geschlossen,
findet nun der erste Ausgleichvorgang statt. Besitzt die Zelle 7b gegenüber der
zuerst verbundenen Zelle 7a eine geringere Ladung und somit eine
geringere Zellenspannung, so gibt der Kondensator 1 der
Transfereinheit 100 jetzt Ladung ab, die natürlich vorher
der Akkuzelle 7a entnommen wurde. Im Falle einer höheren Ladung
der Zelle 7b nimmt jetzt der Kondensator 1 zusätzliche
Ladung auf, zieht also ein gewisses Quantum an Ladung von der Zelle 7b ab,
die zu einem mehr oder weniger starken Ladeimpuls wird, sobald die
Schaltmatrix eine weniger stark geladene Zelle selektiert hat. Wird
dieser Ladungstransfer mittels der Transfereinheit und der Schaltmatrix
während
des Ladens und oder Entladens des Akkusystems zyklisch in einer
festen Reihenfolge oder, ebenso möglich, zufällig gesteuert, auf alle Zellen
bzw. parallelen Zellverbände
angewendet, so findet alleine durch diesen beschriebenen Vorgang
nach einer gewissen Zeit ein präziser
Ausgleich statt, der dafür
sorgt, dass letztlich jede Zelle auf das gleiche Niveau geladen
oder eben gleichmäßig entladen
wird. Die Anordnung lässt
sich natürlich auf
eine wesentlich größere Anzahl
von in Serie geschalteten Akkuzellen bzw. paralleler Zellverbände durch
einfache Erweiterung der Schaltmatrix ausweiten, was in der Praxis
auch üblich
sein wird.
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Die 2 enthält zusätzlich ein
für den
entsprechenden Zellentyp und die vorliegende Anzahl der in Serie
geschalteten Zellen geeignetes Ladegerät 300, das in einer üblichen
Weise arbeitet, also die für
Zellentyp und Zellenanordnung benötigte Ladespannung bzw. den
nötigen
Ladestrom über
eine Verbindung mit den Anschlussklemmen C und D des Akkusystems
in Abhängigkeit
vom Ladezustand der gesamten Zellenanordnung bereitstellt bzw. steuert.
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Die
Anordnung gemäß 3 besitzt
eine Schaltmatrix 400, die gegenüber derjenigen aus 2 hier
um zwei weitere Stufen ergänzt
wurde. Dadurch ist es möglich,
den Ladungstransfer nicht nur, wie bisher beschrieben, zwischen
den Zellen 7a bis 7c durchzuführen, sondern zusätzlich Leistung aus
einer Ladeschaltung 500 aufzunehmen und dann je nach Schalterstellungen
an die Zellen 7a bis 7c abzugeben. Im Gegensatz
zu dem konventionellen Ladegerät 300 in 2 arbeitet
diese Ladeschaltung nicht mit der Gesamtspannung des Akkusystems, sondern
lediglich mit der Spannung einer Zelle, was gerade dann von großem Vorteil
ist, wenn zum Laden des Akkusystems nur geringe Spannungen, jedoch höhere Ströme zur Verfügung stehen,
wie dies etwa bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen während eines
aktiven Bremsvorganges der Fall sein kann. Nun kann diese erste
der zusätzlichen
Schaltstufen auch entfallen, sofern die Ladeschaltung 500 potentialfrei
arbeitet und anstelle der entfallenen Schaltstufe die Ladeschaltung,
etwa über
ein Steuersignal, aktiviert werden kann. Die zweite der zusätzlichen Schaltstufen
kann einen Transfer von Ladungen von bestimmten Zellen an eine Teilspannungsversorgung 600 veranlassen,
etwa um dem von dem Akkusystem versorgten Gerät eine weitere Spannung für interne Zwecke
anzubieten, die kleiner ist als die an den Anschlüssen C und
D anliegende Spannung des gesamten Akkusystems. Diese Teilspannungsversorgung
besteht im einfachsten Fall lediglich aus einem ausreichend groß dimensionierten
Kondensator, ggf. entkoppelt durch eine Diode, kann jedoch vorteilhaft um
weitere Komponenten, etwa einen Spannungsregler erweitert werden.
Ein Vorteil dieser Teilspannungsquelle besteht auch darin, dass
sie in Bezug auf ein beliebiges oder wechselndes Potential des versorgten
Gerätes
zur Verfügung
steht, was etwa die Ansteuerung von Metalloxid-Feldeffekttransistoren
erleichtert und vereinfachen kann.
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Die
Schaltmatrix 200 bzw. die erweiterte Schaltmatrix 400 werden
in der Praxis kaum als mechanische Schalter oder Relais realisiert.
Heute übliche
elektronische Schalter bzw. zu derartigen Schaltzwecken nutzbare
Halbleiter lassen sich hier vorteilhaft einsetzen und führen, da üblicherweise
lediglich zwischen zwei Punkten schaltend, zu der geänderten Schaltmatrix 700 gemäß 4,
in der diese elektronischen Schalter zur Vereinfachung jedoch noch
allgemein als Schalter dargestellt sind. Wenn jeweils eines der
Schalterpaare, beispielsweise das aus Schalter 9c und 9d bestehend,
geschlossen wird, so führt
das wie in der 2 dazu, dass die Transfereinheit 100 mit
einer bestimmten Zelle, in dem Fall mit der Zelle 7a bzw.
einem parallelen Zellverband verbunden wird. Wird dann dieses Schalterpaar
geöffnet
und ein anderes Schalterpaar geschlossen, findet in gleicher Weise
wie für
die 2 besprochen, ein Ladungsausgleich oder Transfer
von der Ladschaltung zu einer Zelle bzw. von einer Zelle zur Teilspannungsversorgung
statt.
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5 zeigt
nun exemplarisch und in zulässiger
Weise vereinfacht, wie eine elektronische Schalteranordnung schaltungstechnisch
realisiert werden kann. Im Beispiel besteht ein Schalter jetzt aus
zwei im Schaltbetrieb arbeitenden Metalloxid-Feldeffekttransistoren
vom Anreicherungstyp 10a und 10b. Bei Vorliegen
einer entsprechenden Spannung zwischen den parallelgeschalteten
Source- und Gateanschlüssen,
die im Beispiel eine potentialgetrennte Ansteuerschaltung 11 bereitstellt,
wird der Schalter zwischen den beiden Anschlüssen E und F elektrisch leitend
bzw. sperrt, sobald keine Ansteuerspannung mehr anliegt. Die Ansteuerschaltung,
auf die hier nicht näher
eingegangen wirdl, kann in bekannter und üblicher Weise realisiert werden,
basierend beispielsweise auf Impulsübertragern, Piezokopplern oder
optoelektronischen Kopplern nebst geeigneter Zusatzbeschaltung.
Entscheidend ist letztlich, dass diese Schalteranordnung nunmehr
durch eine digital arbeitende Schaltung, vorzugsweise durch einen
Mikrokontroller bedient werden kann.
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Der
bisher beschriebene Ladungsausgleich lässt sich weiter verbessern,
wenn die Zellen nicht nur zyklisch oder zufällig bedient werden, sondern wenn
der Ausgleichsvorgang aktiv und durch einen geeigneten Algorithmus
gesteuert wird. Dazu wird die Schaltmatrix gemäß 4, die vorzugsweise aus
einzelnen Schaltelementen gemäß 5 besteht,
durch eine digitale Elektronik, vorzugsweise durch einen Mikrokontroller 12 ergänzt, der
als Hauptaufgabe die Schaltmatrix entsprechend steuert. Im einfachsten
Fall erhält
die Transfereinheit 100 jetzt über ihre Schnittstelle 6 von
diesem steuernden Mikrokontroller 12 die Information, welches
Schalterpaar gerade geschlossen wurde. Der interne Mikrokontroller 5 der
Transfereinheit 100 kann dadurch eine bestimmte Zelle erkennen
bzw. wieder erkennen und zu dieser Zelle bestimmte sinnvolle Informationen
speichern und verarbeiten, beispielsweise den über die Strommesseinrichtung 3 ermittelten
Ausgleichsstrom und dessen Polarität. Somit ist jetzt die Transfereinheit 100 in
der Lage festzustellen, welche Zelle welchen Ladezustand aufweist
und ferner durch Abgleich mit der von der Ladeschaltung 500 aufgenommen
Leistung und oder durch Kenntnis der Ausgangsspannung der Ladeschaltung
eine Aussage über
den tatsächlichen
Ladezustand zu machen. Wird ein in den Kondensator 1 hinein
fließender Strom
von der Strommesseinrichtung festgestellt, so besitzt die Zelle
eine größere Ladung
als die, mit der die Anordnung zuletzt verbunden war, und hat einen gewissen
Teil dieser Ladung nun abgegeben. Fließt der Strom aus dem Kondensator
in Richtung Zelle, so erhält
die gerade verbundene Zelle einen Ladeimpuls, nimmt also Ladung
auf. Diese Kenntnis des Ladezustandes aller Zellen innerhalb des
Akkusystems kann nun etwa dazu verwendet werden, die starre Reihenfolge
aufzubrechen, in der die Zellen zyklisch bedient werden. Dazu steuert
der Mikrokontroller 5 der Transfereinheit 100 über das
Interface 6 jetzt die Reihenfolge selbst, in der die Zellen
mit der Transfereinheit zum Zweck des Ladungstransfers verbunden werden,
indem er dem Mikrokontroller entsprechende Anweisungen gibt, oder
er löst
eine geeignete Steuersequenz aus. Um den Ladungsausgleich zu verbessern
und zu beschleunigen, kann es sinnvoll sein, beispielsweise über eine
gewisse Anzahl von Zyklen Ladung von den bereits am stärksten geladenen
Zellen aufzunehmen und an die am geringsten geladenen Zellen abzugeben,
was durch das beschriebene Prozedere nunmehr möglich ist.
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Eine
weitere Verbesserung zur Beschleunigung des Ausgleichsvorgangs wird
durch ein aktives Beeinflussen der Ladung oder Entladung des Kondensators 1 in
der Transfereinheit 100 erreicht. Dies kann etwa dadurch
erfolgen, dass die vom Mikrokontroller 5 ermittelten Zellen
mit geringerer Ladung einen verstärkten oder verlängerten
Ladeimpuls erhalten. Ein verstärkte
Ladung, als eine mögliche
Voraussetzung für
einen verstärkten
Ladeimpuls, kann gemäß 6 durch
einen vom Mikrokontroller 12 bedienten Steuereingang 13 der
Ladeschaltung 500 über
eine temporäre
Erhöhung
der Ausgangsspannung während
des Ladens des Kondensators 1, also während dieser mit der Ladeschaltung
verbunden ist, erreicht werden. Der verstärkte Ladeimpuls kommt dann
im nächsten
Schritt zustande, nämlich
dann, wenn die Transfereinheit 100 mit dem Kondensator 1 mit
der Zelle verbunden wird, die der zusätzlichen Ladung bedarf. Eine
andere Möglichkeit,
die Ladung zu steuern, also diese bei Bedarf für einzelne Zellen zu erhöhen oder
auch zu verringern, besteht darin, die Zeitdauer der Ladung und
oder Entladung des Kondensators 1 über den Transferschalter 3,
der üblicherweise,
wie die Schaltermatrix auch, als elektronischer Schalter realisiert
wird, zu beeinflussen. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Transferschalter 3 über den
Mikrokontroller 5 mit einem variablen Puls-zu-Pause-Verhältnis gesteuert
wird, das im Mittel beispielsweise bei einem Verhältnis Puls
zu Pause von 50% liegt. Wird der Mikrokontroller 12 über einen Analog-Digitalwandler 14 zusätzlich in
die Lage versetzt, die Spannung der Ladeschaltung zu messen, so
kann im letzten Schritt über
das Steuern der Spannung des Ladegerätes 300 oder der Ladeschaltung 500 auch
der gesamte Ladeprozess gesteuert und beim Erreichen eines gewünschten
Ladestandes beendet werden. Der Mikrokontroller 12 kann
ferner durch die Auswertung der von der Transfereinheit gewonnenen
Informationen und die Kenntnis der Spannung der Ladeschaltung Aussagen über den
Ladezustand, den Zustand einzelner oder aller Zellen treffen und
diese und weitere, möglicherweise
interessante Informationen, über
eine vorzugsweise, jedoch nicht zwingend digitale Schnittstelle 15,
externen Geräten zur
Verfügung
stellen oder aber bestimmte Voreinstellungen über diese Schnittstelle empfangen,
beispielsweise Vorgaben der maximalen Ladespannung oder maximaler
Ladeströme.
Der Mikrokontroller 12 kann diese Daten jedoch auch intern
dauerhaft oder für
eine bestimmte Zeit speichern, etwa um künftige Lade- und oder Entladevorgänge zu steuern
oder zu optimieren.