DE102011005420A1 - Memory device for storing electrical energy, has monitoring device with controllable grounding electrode for diverting charging current of memory cell based on mass of monitored physical quantity of memory cell - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Speichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Speichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie.The invention relates to a storage device for storing electrical energy. The invention further relates to a method for operating a storage device for storing electrical energy.
Stand der TechnikState of the art
Lithium-Ionen-Akkupacks dürfen nicht überladen werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Um eine Überladung zu verhindern, gibt es im Ladegerät verschiedene Schutzmaßnahmen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Sollten diese Schutzmaßnahmen aber nicht ausreichen, ist der Stromfluss im Akkupack selbst zu unterbrechen. Dazu werden jedoch teure und komplexe Schaltelemente benötigt. Zudem haben diese Schaltelemente auch im geschlossenen Zustand immer einen Widerstand, so dass eine Effizienz beim Laden bzw. Entladen beeinträchtigt wird.Lithium ion battery packs must not be overcharged to prevent damage. In order to prevent overcharging, there are various protective measures in the charger to interrupt a current flow. However, if these protective measures are not sufficient, the current flow in the battery pack itself must be interrupted. However, this requires expensive and complex switching elements. In addition, these switching elements always have a resistance in the closed state, so that efficiency during charging or discharging is impaired.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, eine Speichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie anzugeben, wobei eine Überladung verhindert wird, ohne dass eine Effizienz beim Laden bzw. Entladen beeinträchtigt wird.The object underlying the invention can therefore be seen to provide a storage device for storing electrical energy, wherein an overcharge is prevented, without an efficiency during charging or discharging is impaired.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Speichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie anzugeben.The object underlying the invention can also be seen in providing a corresponding method for operating a memory device for storing electrical energy.
Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.These objects are achieved by means of the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of each dependent subclaims.
Nach einem Aspekt wird eine Speichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie bereitgestellt. Die Speichervorrichtung ist vorzugsweise als ein Akkumulator (Akku) gebildet. Ein solcher Akku kann auch als ein Akkupack bezeichnet werden. Beispielsweise kann der Akkumulator als ein Bleiakkumulator, ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Lithium-Polymer-Akkumulator, ein Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, ein Lithium-Titanat-Akkumulator, ein Lithium-Schwefel-Akkumulator, ein Natrium-Nickel-Chlorid-Akkumulator, ein Natrium-Schwefel-Akkumulator, ein Nickel-Eisen-Akkumulator, ein Nickel-Kadmium-Akkumulator, ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, ein Nickel-Wasserstoff-Akkumulator, ein Nickel-Zink-Akkumulator oder als ein Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator gebildet sein.In one aspect, a storage device for storing electrical energy is provided. The storage device is preferably formed as a rechargeable battery. Such a battery can also be referred to as a battery pack. For example, the rechargeable battery may be in the form of a lead-acid battery, a lithium-ion rechargeable battery, a lithium-polymer rechargeable battery, a lithium-iron-phosphate rechargeable battery, a lithium titanate rechargeable battery, a lithium-sulfur rechargeable battery, a sodium-nickel rechargeable battery. Chloride accumulator, a sodium-sulfur accumulator, a nickel-iron accumulator, a nickel-cadmium accumulator, a nickel-metal hydride accumulator, a nickel-hydrogen accumulator, a nickel-zinc accumulator or as a tin-accumulator Sulfur lithium accumulator may be formed.
Die Speichervorrichtung umfasst eine Speicherzelle, welche mittels eines elektrischen Ladestroms aufgeladen werden kann. Bei der Speicherzelle handelt es sich vorzugsweise um eine galvanische Zelle. Im Zusammenhang mit Akkumulatoren kann eine solche galvanische Zelle auch als eine Sekundärzelle bezeichnet werden. Des Weiteren weist die Speichervorrichtung eine Überwachungsvorrichtung auf, welche eine physikalische Größe in der Speicherzelle überwachen kann. Vorzugsweise handelt es sich bei der physikalischen Größe um eine Temperatur in der Speicherzelle und/oder eine elektrische Spannung in der Speicherzelle. Eine solche Temperatur kann vorzugsweise auch als eine Speicherzellentemperatur bezeichnet werden. Eine solche Spannung kann vorzugsweise auch als eine Speicherzellenspannung bezeichnet werden.The memory device comprises a memory cell which can be charged by means of an electrical charging current. The memory cell is preferably a galvanic cell. In the context of accumulators, such a galvanic cell may also be referred to as a secondary cell. Furthermore, the memory device has a monitoring device which can monitor a physical quantity in the memory cell. The physical variable is preferably a temperature in the memory cell and / or an electrical voltage in the memory cell. Such a temperature may also be referred to as a storage cell temperature. Such a voltage may also be referred to as a memory cell voltage.
Die Speichervorrichtung umfasst ferner einen Masseableiter, welcher mittels der Überwachungsvorrichtung steuerbar ist. Der Masseableiter ist derart gebildet, dass er abhängig von der überwachten physikalischen Größe den Ladestrom auf Masse ableiten kann.The memory device further comprises a ground conductor, which is controllable by means of the monitoring device. The ground arrester is formed so that it can derive the charging current to ground depending on the monitored physical quantity.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Speichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie bereitgestellt, wobei die Speichervorrichtung eine Speicherzelle aufweist. In einem ersten Schritt wird die Speicherzelle mittels eines elektrischen Ladestroms aufgeladen, wobei eine physikalische Größe in der Speicherzelle überwacht wird. Abhängig von der überwachten Größe wird der elektrische Ladestrom auf Masse abgeleitet.According to another aspect, there is provided a method of operating a memory device for storing electrical energy, wherein the memory device comprises a memory cell. In a first step, the memory cell is charged by means of an electrical charging current, wherein a physical quantity in the memory cell is monitored. Depending on the monitored size, the electrical charging current is dissipated to ground.
Die Erfindung umfasst also den Gedanken, dass abhängig von der überwachten physikalischen Größe der Speicherzelle der elektrische Ladestrom während eines Ladevorgangs auf Masse abgeleitet wird. Nachdem der Ladestrom auf Masse abgeleitet ist, kann insofern die Speicherzelle nicht weiter aufgeladen werden. Somit wird in vorteilhafter Weise eine Überladung der Speicherzelle wirksam vermieden. Weiterhin führt auch ein defektes Ladegerät, welches einen Ladestrom nicht selbstständig automatisch abschalten kann, nicht zu einer Überladung der Speicherzelle, da ein Unterbrechen des Ladevorgangs in der Speichervorrichtung selber durchgeführt wird, also unabhängig von einem Ladegerät.The invention thus includes the idea that, depending on the monitored physical size of the memory cell, the electrical charging current is discharged to ground during a charging process. Since the charging current is derived to ground, the memory cell can not be charged further in this respect. Thus, an overload of the memory cell is effectively avoided in an advantageous manner. Furthermore, even a defective charger, which can not automatically turn off a charging current automatically, does not lead to an overcharge of the memory cell, since an interruption of the charging process is carried out in the storage device itself, ie independent of a charger.
Vorzugsweise wird der elektrische Ladestrom auf Masse abgeleitet, wenn die elektrische Speicherzellenspannung über einem vorbestimmten Spannungswert liegt bzw. ansteigt. Vorzugsweise wird der elektrische Ladestrom auf Masse abgeleitet, wenn die Speicherzellentemperatur über einem vorbestimmten Temperaturwert liegt bzw. ansteigt.Preferably, the electrical charging current is dissipated to ground when the electric storage cell voltage is above a predetermined voltage value. Preferably, the electrical charging current is dissipated to ground when the memory cell temperature is above a predetermined temperature value.
In einer anderen Ausführungsform sind mehrere Speicherzellen gebildet. Die Speicherzellen können zur Erhöhung einer mittels der Speicherzellen bereitgestellten Spannung insbesondere in Reihe geschaltet werden oder zur Erhöhung einer Gesamtkapazität der Speicherzellen parallel geschaltet werden. Vorzugsweise kann auch vorgesehen sein, dass einige Speicherzellen parallel geschaltet sind und einige Speicherzellen in Reihe geschaltet sind, wobei die parallel geschalteten Speicherzellen zu den in Reihe geschalteten Speicherzellen wiederum parallel oder in Reihe geschaltet sind. Insbesondere reicht es bei mehreren Speicherzellen aus, dass eine physikalische Größe in einer Speicherzelle über einen vorbestimmten Wert liegt, um den Ladevorgang abzubrechen und den elektrischen Ladestrom auf Masse abzuleiten. In another embodiment, a plurality of memory cells are formed. In order to increase a voltage provided by the memory cells, the memory cells can be connected in particular in series or connected in parallel to increase a total capacitance of the memory cells. Preferably, it can also be provided that some memory cells are connected in parallel and some memory cells are connected in series, wherein the memory cells connected in parallel to the series-connected memory cells are in turn connected in parallel or in series. In particular, it is sufficient for a plurality of memory cells that a physical quantity in a memory cell is above a predetermined value in order to stop the charging process and to derive the electrical charging current to ground.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Masseableiter ein Schaltelement zum elektrischen Kurzschließen eines mit der Speicherzelle verbundenen Ladestromkreises. An einen solchen Ladestromkreis wird insbesondere zum Laden der Speicherzelle ein elektrisches Ladegerät angeschlossen. Ein solcher Ladestromkreis umfasst beispielsweise einen oder mehrere Kontakte zum Kontaktieren bzw. Anschließen des elektrischen Ladegeräts. Dadurch also, dass der Ladestromkreis kurzgeschlossen wird, fließt kein Ladestrom mehr zur Speicherzelle, so dass diese in vorteilhafter Weise nicht überladen werden kann.In another embodiment, the ground conductor comprises a switching element for electrically shorting a charging circuit connected to the memory cell. To such a charging circuit, an electric charger is connected in particular for charging the memory cell. Such a charging circuit comprises, for example, one or more contacts for contacting or connecting the electric charger. As a result, that is, that the charging circuit is short-circuited, no charging current flows to the memory cell, so that they can not be overloaded in an advantageous manner.
Vorzugsweise ist das Schaltelement ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor (FET), ein Relais oder ein steuerbares Kurzschlusselement.Preferably, the switching element is a transistor, in particular a field effect transistor (FET), a relay or a controllable short-circuit element.
Insbesondere ist das Schaltelement parallel zum Ladestromkreis geschaltet.In particular, the switching element is connected in parallel to the charging circuit.
Ein Schaltelement im Sinne der vorliegenden Erfindung weist insbesondere zwei Schaltzustände auf: Einen offenen Schaltzustand, in welchem der Ladestromkreis nicht kurzgeschlossen ist, sodass ein elektrischer Ladestrom zum Aufladen der Speicherzelle fließen kann und nicht auf Masse abgeleitet wird, und einen geschlossenen Schaltzustand, in welchem der Ladestromkreis kurzgeschlossen ist, sodass kein elektrischer Ladestrom zum Aufladen der Speicherzelle in die Speicherzelle fließen kann, sondern auf Masse abgeleitet wird. Wenn sich das Schaltelement in dem offenen Schaltzustand befindet, kann das Schaltelement auch als ein offenes Schaltelement bezeichnet werden. Wenn sich das Schaltelement in dem geschlossenen Schaltzustand befindet, kann das Schaltelement auch als ein geschlossenes Schaltelement bezeichnet werden.In particular, a switching element in the sense of the present invention has two switching states: an open switching state in which the charging circuit is not short-circuited, so that an electrical charging current for charging the memory cell can flow and is not dissipated to ground, and a closed switching state, in which Charging circuit is short-circuited, so that no electric charging current for charging the memory cell can flow into the memory cell, but is derived to ground. When the switching element is in the open switching state, the switching element may also be referred to as an open switching element. When the switching element is in the closed switching state, the switching element may also be referred to as a closed switching element.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist das Schaltelement ein reversibles Schaltelement. Reversibel bedeutet hier insbesondere, dass das Schaltelement zwischen dem offenen Schaltzustand und dem geschlossenen Schaltzustand hin- und hergeschaltet werden kann. Somit kann also in vorteilhafter Weise die Speicherzelle weiter geladen werden bzw. neu aufgeladen werden, wenn die physikalische Größe wieder einem zulässigen Wert entspricht, da das reversible Schaltelement wieder geöffnet werden kann, so dass der elektrische Ladestrom nicht weiter auf Masse abgeleitet wird, sondern zum Aufladen der Speicherzelle zu dieser hinfließt.According to a further embodiment, the switching element is a reversible switching element. Reversible here means in particular that the switching element between the open switching state and the closed switching state can be switched back and forth. Thus, advantageously, the memory cell can be further charged or recharged when the physical size again corresponds to a permissible value, since the reversible switching element can be opened again, so that the electric charging current is not further derived to ground, but for Charging the memory cell to this flows.
Während eines Ladevorgangs der Speicherzelle ist das Schaltelement offen, so dass kein elektrischer Strom durch das Schaltelement fließen kann. Der elektrische Ladestrom fließt also zur Speicherzelle, um diese aufzuladen. Erst wenn die überwachte physikalische Größe über einem bestimmten Wert liegt, wird das Schaltelement mittels der Überwachungsvorrichtung geschlossen, so dass ein Kurzschluss in dem Ladestromkreis gebildet wird. Der Ladestrom fließt nun nicht mehr zu der Speicherzelle, sondern wird auf Masse abgeleitet. Hierbei wird insbesondere eine mittels des Ladegeräts bereitgestellte Ladespannung über das Schaltelement mit Masse derart verbunden, dass mindestens der maximal mögliche Ladestrom abgeleitet wird.During charging of the memory cell, the switching element is open, so that no electric current can flow through the switching element. The electric charging current thus flows to the memory cell in order to charge it. Only when the monitored physical variable is above a certain value, the switching element is closed by means of the monitoring device, so that a short circuit is formed in the charging circuit. The charging current now no longer flows to the memory cell, but is derived to ground. In this case, in particular, a charging voltage provided by means of the charging device is connected to ground via the switching element such that at least the maximum possible charging current is dissipated.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Entladestromkreis gebildet, welcher mit der Speicherzelle verbunden ist, so dass hierüber die Speicherzelle entladen werden kann. Vorzugsweise sind der Ladestromkreis und der Entladestromkreis getrennt voneinander gebildet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Ladestromkreis gleich dem Entladestromkreis ist. Die Speichervorrichtung weist insofern einen gemeinsamen Lade/Entladestromkreis auf.In another embodiment, a discharge circuit is formed, which is connected to the memory cell, so that over this the memory cell can be discharged. Preferably, the charging circuit and the discharge circuit are formed separately. But it can also be provided that the charging circuit is equal to the discharge circuit. The memory device thus has a common charge / discharge circuit.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigenThe invention will be explained below with reference to preferred embodiments with reference to figures. Show here
Ferner umfasst die Speichervorrichtung
Mit dem Ladestromkreis
Solange die physikalischen Größen in den Speicherzellen
Sobald aber in einer der Speicherzellen
Da diese Schaltung nur im Fehlerfall zum Einsatz kommt, ist ein Entladen der Speichervorrichtung
In einer nicht gezeigten Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung
In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können die Speicherzellenspannungen und/oder die Speicherzellentemperaturen auch analog mittels eines Überwachungsbausteins überwacht werden, welcher im Fehlerfall, insbesondere bei einer Überladung, entweder ein Signal an einen Mikrocontroller sendet, welcher den steuerbaren Kurzschluss, also das Schaltelement, schaltet, oder den steuerbaren Kurzschluss direkt ansteuert.In a further embodiment not shown, the memory cell voltages and / or the memory cell temperatures can also be monitored analogously by means of a monitoring module, which in the event of an error, in particular in the event of an overload, either sends a signal to a microcontroller which switches the controllable short circuit, that is to say the switching element. or directly drives the controllable short circuit.
Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, dass weder in einem Ladestromkreis noch in einem Entladestromkreis ein zusätzlicher Widerstand durch ein zusätzliches Schaltelement hinzukommt, so dass eine Effizienz im Normalbetrieb, also insbesondere wenn der Ladestromkreis nicht kurzgeschlossen ist und die Speichervorrichtung geladen bzw. entladen wird, nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere ist keine Änderung an den Ladekontakten bzw. Entladekontakten erforderlich, so dass die Speichervorrichtung voll rückwärtskompatibel bleibt und trotzdem aktuelle Normen erfüllt. Weiterhin ist bei der Auslegung der Schutzschaltung nur ein maximaler Ladestrom und nicht noch ein deutlich höherer Entladestrom zu berücksichtigen.The invention offers the particular advantage that neither in a charging circuit nor in a discharge circuit added an additional resistance by an additional switching element, so that efficiency in normal operation, ie in particular when the charging circuit is not short-circuited and the storage device is charged or discharged, not is impaired. In particular, no change to the charging contacts or discharge contacts is required, so that the memory device remains fully backward compatible and still meets current standards. Furthermore, in the design of the protection circuit, only a maximum charging current and not a significantly higher discharge current must be considered.
Zusammenfassend stellt die Erfindung eine Möglichkeit bereit, ein Überladen einer Speicherzelle einer Speichervorrichtung aufgrund eines defekten Ladegeräts zu verhindern. Eine Kompatibilität zu alten Akkupacks wird in vorteilhafter Weise nicht beeinträchtigt.In summary, the invention provides a way to prevent overcharging a memory cell of a memory device due to a defective charger. Compatibility with old battery packs is not compromised in an advantageous manner.
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