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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufladungssystem, besonders auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufladung des Mehrzellenakkumulators mit direktem Ladungsausgleich.
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Stand der Technik
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Die Akkustromversorgung ist eine Stromversorgung, die die elektrische Anlage mit elektrischer Energie versorgt, im Praxis können die Akkustromversorgung aus Mehrzellenakkumulator (multicellbattery) bestehen. Anhand des Mehrzellenakkumulators kann die Akkustromversorgung eine hohe Spannung oder eine hohe Kapazität realisieren. Aber infolge der eigenen Lade- und Entlade-Kennlinie der Akkuzellen werden die Spannungen jeder Akkuzelle bei der Nutzung nicht ausgeglichen. Die Spannungsdifferenzen im Mehrzellenakkumulator können den Unausgeglichenheit in Akkuzellen verursachen, daher vermindert sich die Kapazität des Mehrzellenakkumlators. Darüber gibt es schon viele Ausgleichsysteme und Verfahren zum Ausgleich für jede Akkuzelle, damit die Überladung an allen Akkuzellen vermieden wird, und die Akkuzellen können ausgeglichen aufgeladen werden.
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In der aktuellen Technik gibt es ein Verfahren, dass das Verfahren den Strom aus den die zu hohe Spannung betragenden Akkuzellen im Mehrzellenakkumulator durch Widerstand erlaubt, dadurch werden die Akkuzellen ausgeglichen. Trotzdem ist das Verfahren einfach, aber es hat einen Nachteil, wenn sich die Zahl der nicht ausgeglichenen Akkuzellen zunimmt, steigt sich die von Entladestrom in Widerstand erzeugte Wärme. Außerdem hat das Verfahren noch einen Nachteil, dass die Spannungen der allen Akkuzellen im Mehrzellenakkumulator auf die niedrigste Spannung einer Akkuzelle ausgeglichen werden. Außerdem gibt es noch ein Verfahren, dass das Verfahren den Strom durch die die niedrige Spannung betragenden Akkuzellen erlaubt, dadurch werden die Akkuzellen ausgeglichen. Das Verfahren nutzt den DC-DC Wandler, deshalb verhält es einen guten Wirkungsgrad, und erzeugt wenige Wärme. Aber das Verfahren hat noch einen Nachteil, wenn die Zahl der die niedrige Spannung betragenden Akkuzellen zunimmt, beträgt der Mehrzellenakkumulator eine gesamte Spannung nach dem Ausgleich niedriger als die gesamte Spannung vor dem Ausgleich. Und bei Spannungsmessung an jeder Akkuzelle verursacht die Messzeit große Abweichung im Messergebnis. Infolge des zeitlichen Unterschiedes der Spannungsmessungen wird das Batteriemanagementsystem bestimmen, dass die Akkuzellen nicht ausgeglichen sind. Aufgrund des zeitlichen Unterschiedes der Spannungsmessungen an jeder Akkuzelle gibt es die Messabweichung im Messergebnis, besonders ist der Ladungsausgleich bei Li-Ion-Akku, in dem Ladungsausgleich wird der Multiplexer für die Spannungsmessung genommen. In der aktuellen Ladungsausgleich, wenn der Strom durch Lasteinrichtung lädt, ändert sich die Klemmenspannung (terminal voltage) der Akkuzelle mit der Änderung des Stroms. Der Strom der Lasteinrichtung kann sich über den Zeitverlauf ändern. Deshalb wenn die Klemmenspannungen der Akkuzellen gemessen werden und sie werden zum Prozessor des Batteriemanagementsystems für den Spannungsvergleich durch Multiplexer übertragen, selbst wenn die Klemmenspannungen der allen Akkuzellen tatsächlich ausgeglichen sind, die jeweilige Klemmenspannung der Akkuzelle wird noch separat gemessen. Deshalb würde der Prozessor bestimmen, dass die Akkuzellen nicht ausgeglichen sind, danach gibt das Ausgleichssignal ab, und steuert die Ladungsausgleichsschaltung. Wenn sich der durch Mehrzellenakkumulator geflossene Strom bei der Spannungsmessung des Ladungsausgleichssystems nicht geändert hat, ändern sich die Klemmenspannungen der Akkuzellen nicht. Deshalb bestimmt der Prozessor, dass die Spannungen der Akkuzellen ausgeglichen sind. Aber wenn sich der durch Mehrzellenakkumulator geflossene Strom ändert, ändern sich die Klemmenspannungen der Akkuzellen auch. Deshalb wenn sich der Strom echtzeitig ändert, bestimmt der Prozessor, dass die Klemmenspannungen der Akkuzellen nicht ausgeglichen sind, im zeitlichen Verlauf verursacht die Laständerung die Abweichung bei Spannungsmessung. Auf diese Weise könnten die Klemmenspannungen der Akkuzellen, die der Prozessor durch Multiplexer gemessen hat, wegen der unterschiedlichen Messzeit abweichend sein.
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Deshalb benötigt man ein System oder ein Verfahren zum Ladungsausgleich, es kann die Messabweichung der Klemmenspannung der Akkuzellen reduzieren, den Spannungsausgleich schnell durchführen und die Genauigkeit vom Spannungsausgleich erhöhen.
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In der aktuellen Technik wird die Anwendung des Ladungsausgleichssystems allerhand beschränkt. Zum Beispiel, der Spannungsausgleich kann nur während der Pause des Systems durchgeführt werden. Infolge der Beschränkungen kompliziert sich der Vorgang des Spannungsausgleichs, es verbraucht die unnötige Zeit und verschlechtert die Genauigkeit des Spannungsausgleichs.
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Inhalt der Erfindung
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Diese Erfindung zielt auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufladung des Mehrzellenakkumulators mit direktem Ladungsausgleich, um die im vorliegenden technischen Stand aufgeworfene Probleme zu lösen.
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Um das vorliegende Ziel zu realisieren, bietet diese Erfindung eine Vorrichtung zur Aufladung des Mehrzellenakkumulators mit direktem Ladungsausgleich an, die Erfindung enthält A-Akkuzellemodul, B-Akkuzellemodul, Akkumanagementwerk und Gleichstromladegerät. Das A-Akkuzellemodul ist Basismodul, auf dem A-Akkuzellemodul werden mehrfache B-Akkuzellemodule gestapelt. Das A-Akkuzellemodul enthält eine Akkuzelle-A, einen zwischen dem positiven Eingangsanschluss der Aufladung und dem Pluspol der Akkuzelle-A angeschlossenen elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1), ein Signalkabel (Signal1) für die Spannungsmessung verbindet dem Pluspol der Akkuzelle-A an den Spannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks. Der Minuspol der Akkuzelle-A wird an den negativen Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen.
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Das B-Akkuzellemodul enthält eine Akkuzelle-B, einen zwischen dem positiven Eingangsanschluss der Aufladung und dem Pluspol der Akkuzelle-B angeschlossenen elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1), einen zwischen dem negativen Eingangsanschluss der Aufladung und dem Minuspol der Akkuzelle-B angeschlossenen elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) und einen zwischen dem negativen Ausgangsanschluss des B-Akkuzellemoduls und dem Minuspol der Akkuzelle-B angeschlossenen elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3), ein Signalkabel (Signal1) für die Spannungsmessung verbindet dem Pluspol der Akkuzelle-B an den Spannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks. Das Akkumanagementwerk, das A-Akkuzellemodul und die B-Akkuzellemodule werden in Gehäuse des Mehrzellenakkumulators gepackt, die Spannungsmessanschlüsse werden im Akkumanagementwerk installiert, damit das Akkumanagementwerk die Spannungen jeder Akkuzelle überwachen kann. Die Steueranschlüsse für die Parallelschlusspluspolsteuerschalter und die Parallelschlussminuspolsteuerschalter steuern die Akkuzellen in Parallel zu schalten. Die Steueranschlüsse für die Reihenschlusssteuerschalter steuern die Akkuzellen in Reihen zu schalten. Das Akkumanagementwerk und das Gleichstromladegerät kommunizieren sich über Daten-Bus, das Akkumanagementwerk sendet dem Gleichstromladegerät die Anforderungen der Aufladung.
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Der Eingangsanschluss des Gleichstromladegeräts wird ans Stromnetz angeschlossen, der Ausgangsanschluss des Gleichstromladegeräts wird an den Eingangsanschluss der Aufladung des Mehrzellenakkumulators angeschlossen, der Gleichstromversorgungsanschluss des Gleichstromladegeräts wird an den Stromversorgungseingang des Akkumanagementwerks angeschlossen, das Gleichstromladegerät und das Akkumanagementwerk kommunizieren sich über Daten-Bus.
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Der Minuspol der Akkuzelle im A-Akkuzellemodul wird an den negativen Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen, der Pluspol der Akkuzelle im A-Akkuzellemodul wird an den elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) des ersten B-Akkuzellemoduls angeschlossen. Mehrfache B-Akkuzellemodule werden in Reihen geschaltet.
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In der vorliegenden technischen Lösung werden die Temperatursensoren in Akkumanagementwerk installiert, dadurch überwacht das Akkumanagementwerk die thermischen Zustände des Mehrzellenakkumulators.
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In der vorliegenden technischen Lösung ist das Gleichstromladegerät von dem Mehrzellenakkumulator trennbar.
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In der vorliegenden technischen Lösung mit Einzelausgangsspannung wird der Pluspol der Akkuzelle des letzten B-Akkuzellemoduls an den positiven Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen. Mit Multiausgangsspannung wird der positive Eingangsanschluss der Aufladung an den positiven Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen.
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Diese Erfindung bietet das Verfahren für die vorliegende Vorrichtung zur Aufladung des Mehrzellenakkumulators mit direktem Ladungsausgleich an, es enthält die folgenden Betriebsmodi:
- (1) Lagermodus: Wenn das Akkumanagementwerk weder kein Aufladungssignal noch kein Entladungssignal bekommt, befindet sich der Mehrzellenakkumulator in den Lagermodus. Das Akkumanagementwerk steuert alle elektronische Steuerschalter der allen Akkuzellemodule abzuschalten, um den eigenen Energieverbrauch des Mehrzellenakkumulators zu minimal reduzieren.
- (2) Aufladung: Wenn das Gleichstromladegerät an den Mehrzellenakkumulator angeschaltet wird, befindet sich der Mehrzellenakkumulator in Aufladung. Das Akkumanagementwerk steuert zuerst die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und gleichzeitig steuert die alle anderen elektronischen Steuerschalter abzuschalten. Jetzt sind die Minuspole der allen Akkuzellen am negativen Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen, das Akkumanagementwerk misst die Spannungen jeder Akkuzelle mit hoher Genauigkeit, aufgrund der gemessenen Akkuzellespannungen wählt das Akkumanagementwerk automatisch einen Lademodus aus. Wenn einige Akkuzellespannungen niedriger als der Untergrenzwert sind, bricht das Akkumanagementwerk die Aufladung ab und meldet das Fehl durch Zeiger.
- (3) Lademodus 1: Wenn die Restspannungen der Akkuzellen hoch sind, wird der Lademodus 1 durchgeführt. Das Akkumanagementwerk sendet dem Gleichstromladegerät zuerst ein Signal für niedrige Aufladungsspannung, die sich für die Aufladung der Einzelakkuzelle eignet. Nachdem die Eingangsspannung der Aufladung nachgeprüft wird, steuert das Akkumanagementwerk die elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) der allen Akkuzellemodule einzuschalten. Das Akkumanagementwerk hält die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellenmodule abzuschalten. Jetzt werden die Pluspole der allen Akkuzellen an den positiven Eingangsanschluss der Aufladung angeschlossen, die Minuspole der allen Akkuzellen werden an den negativen Eingangsanschluss der Aufladung angeschlossen. Alle Akkuzellen werden durch Parallelschaltung aufgeladen, am Ende der Aufladung erreichen alle Akkuzellen gleichzeitig die gleiche Fertigspannung.
- (4) Lademodus 2: Wenn die Restspannungen der Akkuzellen relativ niedrig sind, wird die Ladefunktion 2 durchgeführt. Um den Strom des Eingangsanschlusses der Aufladung zu reduzieren, sendet das Akkumanagementwerk dem Gleichstromladegerät zuerst ein Signal für hohe Aufladungsspannung, die sich für die Aufladung der in Reihen geschalteten Akkuzellen eignet. Nachdem die Eingangsspannung der Aufladung nachgeprüft wird, steuert das Akkumanagementwerk die elektronischen Parallelminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule abzuschalten. Danach steuert das Akkumanagementwerk die Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellemodule und den Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) des letzten B-Akkuzellemoduls einzuschalten, das Akkumanagementwerk hält alle andere elektronische Steuerschalter abzuschalten. Jetzt werden alle Akkuzellen durch Reihenschaltung aufgeladen. Das Akkumanagementwerk überwacht die Spannungen jeder Akkuzelle, wenn sich die Spannungen der Akkuzellen an die Fertigspannung nähern, wechselt das Akkumanagementwerk die Aufladung automatisch in Lademodus 1.
- (5) Lademodus 3: Wenn einige Akkuzelle die relativ hohen Spannungsunterschiede als andere Akkuzelle betragen, wird der Lademodus 3 durchgeführt. Das Akkumanagementwerk sendet dem Gleichstromladegerät zuerst ein Signal für niedrige Aufladungsspannung, die sich für die Aufladung der Einzelakkuzelle eignet. Nachdem die Eingangsspannung der Aufladung nachgeprüft wird, steuert das Akkumanagementwerk die elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) der Akkuzellemodule, in den die Akkuzellen die relativ niedrige Spannung betragen, einzuschalten. Das Akkumanagementwerk hält die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellemodule abzuschalten. Jetzt werden die Akkuzellen, die die relativ niedrige Spannung betragen, nachgeladen. Gleichzeitig überwacht das Akkumanagementwerk die Spannungen der allen Akkuzellen, damit die Spannung dieser Akkuzelle durch die Nachladung an die Durchschnittspannung der anderen Akkuzellen erreichen. Nach der Nachladung wechselt das Akkumanagementwerk die Aufladung aufgrund der aktuellen Spannungen jeder Akkuzelle automatisch in Lademodus 1 oder Lademodus 2.
- (6) Entlademodus: In diesem Entwurf wird der Mehrzellenakkumulator als Einzelausgangsspannung und Multiausgangsspannung unterteilt. Bei der Einzelausgangsspannung, wenn das Akkumanagementwerk das Entladesignal bekommt, befindet sich der Mehrzellenakkumulator in den Entlademodus. Das Akkumanagementwerk steuert die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und alle andere elektronische Steuerschalter abzuschalten. Jetzt befinden sich die Akkuzellen des Mehrzellenakkumulators in der Reihenschaltung, die Ausgangsspannung des Mehrzellenakkumulators ist die Summe von den allen Akkuzellespannungen.
Bei der Multiausgangsspannung, wenn das Akkumanagementwerk das Entladesignal und das Auswahlsignal der Ausgangsspannungen bekommt, befindet sich der Mehrzellenakkumulator in den Entlademodus. Das Akkumanagementwerk steuert die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) in teilweisen Akkuzellemodulen, die elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) in teilweisen Akkuzellemodulen und die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) in teilweisen Akkuzellemodulen einzuschalten, gleichzeitig hält das Akkumanagementwerk die anderen elektronischen Steuerschalter abzuschalten. Die Akkuzellen werden durch unterschiedliche Kombinationen in Reihen und Parallel am Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators geschaltet, damit der Mehrzellenakkumulator die unterschiedlichen Ausgangsspannungen abgeben kann.
- (7) Überwachfunktion: Bei Ladung und Entladung überwacht das Akkumanagementwerk die Spannungen jeder Akkuzelle und die Temperatur des Mehrzellenakkumulators. Falls der Parameter über den Grenzwert übertritt, bricht das Akkumanagementwerk die Ladung oder die Entladung sofort ab und meldet den Fehl durch Zeiger.
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Das von dieser Erfindung gegebene Verfahren zur Aufladung mit direktem Ladungsausgleich kann noch in Superkondensatoren angewendet werden, es benötigt die Superkondensatoren anstatt der Akkuzellen und eine neue Einstellung im Akkumanagementwerk aufgrund der Parameter des Superkondensators. Diese Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzellenakkumulator und der Superkondensator die relativ niedrige Aufladungsspannung annehmen können, die Ausgangsspannung der Entladung kann durch die unterschiedlichen Kombinationen der Reihen- und Parallelschaltung der Zellemodule eingestellt werden. Im Aufladungsvorgang benötigen die Akkuzellen oder die Superkondensatoren keinen zusätzlichen Ladungsausgleich, dadurch wird die Aufladungszeit reduziert. Wenn Superkondensatoren mit diesem Entwurf für die Rekuperation im Elektrofahrzeug eingesetzt werden, kann sich die Aufladungsspannung der Superkondensatoren durch die unterschiedlichen Kombinationen der Schaltungen der Superkondensatoren flexibel ändern, dadurch kann sich die Aufladung für die von der E-Maschine bei Rekuperation erzeugte Spannung eignen, um der höchste Rekuperationsgrad zu realisieren. Bei Anfahren kann die Ausgangsspannung der Superkondensatoren sich noch aufgrund der Anforderung der E-Maschine ändern.
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Die vorliegende technische Lösung der Erfindung hat die folgenden technischen Fortschritte:
- (1) Ohne den zusätzlichen Ladungsausgleichsvorgang kann jede Akkuzelle am Aufladungsende den 100% vollgeladenen Zustand erreichen.
- (2) Eine niedrige Aufladungsspannung ist für Mehrzellenakkumulator möglich, bei Entladung kann der Mehrzellenakkumulator noch die hohe Ausgangsspannung abgeben.
- (3) Der Mehrzellenakkumulator kann durch die Änderung der Kombination der Reihen/ Parallelschlüsse der Akkuzellen die mehrfachen Aufladungsspannungen annehmen.
- (4) Bei Aufladung überwacht das Akkumanagementwerk die Spannung jeder Akkuzelle und entscheidet die Kombination der Reihen/Parallelschlüsse der Akkuzellen im Mehrzellenakkumulator, damit sich die Aufladungsgeschwindigkeit erhöhen lässt.
- (5) Bei Entladung ändert das Akkumanagementwerk die Kombination der Reihen/Parallelschlüsse der Akkuzellen, dadurch realisiert der Mehrzellenakkumulator die Multiausgangsspannungen.
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Beschreibung der anhängenden Zeichnungen
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1 Schematische Darstellung dieser Erfindung mit vier Akkuzellemodulen für Einzelausgangsspannung.
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2 Schematische Darstellung dieser Erfindung mit vier Akkuzellemodulen für Multiausgangsspannung.
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3 Schematische Darstellung des A-Akkuzellemoduls dieser Erfindung.
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4 Schematische Darstellung des A-Akkuzellemoduls dieser Erfindung für Einzelausgangsspannung.
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5 Schematische Darstellung des A-Akkuzellemoduls dieser Erfindung für Multiausgangsspannung.
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6 Schematische Darstellung des B-Akkuzellemoduls dieser Erfindung.
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7 Schematische Darstellung des B-Akkuzellemoduls dieser Erfindung für Einzelausgangsspannung.
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8 Schematische Darstellung des B-Akkuzellemoduls dieser Erfindung für Multiausgangsspannung.
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9 Schematische Darstellung des Lademodus 1 dieser Erfindung.
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10 Schematische Darstellung des Lademodus 2 dieser Erfindung.
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11 Schematische Darstellung des Entlademodus 1 dieser Erfindung.
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12 Schematische Darstellung des Entlademodus 2 dieser Erfindung.
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13 Schematische Konstruktion dieser Erfindung. Beschreibung der schematischen Darstellung für Einzelausgangsspannung: A-Akkuzellemodul:
| IN+ | Positiver Eingangsanschluss der Aufladung. |
| IN–/OUT– | Negativer Eingangsanschluss der Aufladung und negativer Ausgangsanschluss. |
| SW1 Anschluss | Parallelschlusspluspolsteuersignal, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| Signal1 AnschlussS | pannungsmessungssignal, er wird an den Akkuzellespannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW1 Modul | Elektronischer Parallelschlusspluspolsteuerschalter. |
B-Akkuzellemodul:
| IN+ | Positiver Eingangsanschluss der Aufladung. |
| IN–/OUT– | Negativer Eingangsanschluss der Aufladung und negativer Ausgangsanschluss. |
| SW1 Anschluss | Parallelschlusspluspolsteuersignal, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW2 Anschluss | Parallelschlussminuspolsteuersignal, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW3 Anschluss | Reihenschlusssteuersignal, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| Signal1 AnschlussS | pannungsmessungssignal, er wird an den Akkuzellespannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW1 Modul | Elektronischer Parallelschlusspluspolsteuerschalter. |
| SW2 Modul | Elektronischer Parallelschlussminuspolsteuerschalter. |
| SW3 Modul | Elektronischer Reihenschlusssteuerschalter. |
Beschreibung der schematischen Darstellung für Multiausgangsspannung: A-Akkuzellemodul:
| IN+/OUT+ | Positiver Eingangsanschluss der Aufladung und positiver Ausgangsanschluss. |
| IN–/OUT– | Negativer Eingangsanschluss der Aufladung und negativer Ausgangsanschluss. |
| SW1.1 Anschluss | Parallelschlusspluspolsteuersignal-Transistor M1.1, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW1.2 Anschluss | Parallelschlusspluspolsteuersignal-Transistor M1.2, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| Signal1 Anschluss | Spannungsmessungssignal, er wird an den Akkuzellespannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW1 Modul | Elektronischer Parallelschlusspluspolsteuerschalter. |
B-Akkuzellemodul:
| IN+/OUT+ | Positiver Eingangsanschluss der Aufladung und positiver Ausgangsanschluss. |
| IN–/OUT– | Negativer Eingangsanschluss der Aufladung und negativer Ausgangsanschluss. |
| SW1.1 Anschluss | Parallelschlusspluspolsteuersignal-Transistor M1.1, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW1.2 Anschluss | Parallelschlusspluspolsteuersignal-Transistor M1.2, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW2 Anschluss | Parallelschlussminuspolsteuersignal, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW3 Anschluss | Reihenschlusssteuersignal, er wird an den Steuersignalausgangsanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| Signal1 Anschluss | Spannungsmessungssignal, er wird an den Akkuzellespannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks angeschlossen. |
| SW1 Modul | Elektronischer Parallelschlusspluspolsteuerschalter. |
| SW2 Modul | Elektronischer Parallelschlussminuspolsteuerschalter. |
| SW3 Modul | Elektronischer Reihenschlusssteuerschalter. |
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsform
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Damit das Ziel, die Konstruktion und die Funktionen dieser Erfindung besser erläutert werden, wird die Erfindung jetzt mit der Ausführungsform und den Figuren ausführlich beschrieben.
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Die Erfindung basiert auf einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Aufladung des Mehrzellenakkumlators mit direktem Ladungsausgleich, die wie in 1 bis 12 gezeichnet sind. Die Vorrichtung zur Aufladung des Mehrzellenakkumulators mit direktem Ladungsausgleich enthält A-Akkuzellemodul, B-Akkuzellemodul, Akkumanagementwerk und Gleichstromladegerät. Das A-Akkuzellemodul ist Basismodul, auf dem A-Zellemodul werden mehrfache B-Akkuzellemodule gestapelt. Das A-Akkuzellemodul enthält eine Akkuzelle-A, einen zwischen dem positiven Eingangsanschluss der Aufladung und dem Pluspol der Akkuzelle-A angeschlossenen elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1), ein Signalkabel (Signal1) für die Spannungsmessung verbindet dem Pluspol der Akkuzelle-A an den Spannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks. Der Minuspol der Akkuzelle-A wird an den negativen Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen. Das B-Akkuzellemodul enthält eine Akkuzelle-B, einen zwischen dem positiven Eingangsanschluss der Aufladung und dem Pluspol der Akkuzelle-B angeschlossenen elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1), einen zwischen dem negativen Eingangsanschluss der Aufladung und dem Minuspol der Akkuzelle-B angeschlossenen elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) und einen zwischen dem negativen Ausgangsanschluss des B-Akkuzellemoduls und dem Minuspol der Akkuzelle-B angeschlossenen elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3), ein Signalkabel für die Spannungsmessung (Signal1) verbindet dem Pluspol der Akkuzelle-B an den Spannungsmessanschluss des Akkumanagementwerks. Das Akkumanagementwerk, das A-Akkuzellemodul und die B-Akkuzellemodule werden in Gehäuse des Mehrzellenakkumulators gepackt, die Spannungsmessanschlüsse werden im Akkumanagementwerk installiert, damit das Akkumanagementwerk die Spannung jeder Akkuzelle überwachen kann. Die Steueranschlüsse für die Parallelschlusspluspolsteuerschalter und die Parallelschlussminuspolsteuerschalter steuern die Akkuzellen in Parallel zu schalten. Die Steueranschlüsse für die Reihenschlusssteuerschalter steuern die Akkuzellen in Reihen zu schalten. Das Akkumanagementwerk und das Gleichstromladegerät kommunizieren sich über Daten-Bus, das Akkumanagementwerk sendet dem Gleichstromladegerät die Anforderungen der Aufladung. Der Eingangsanschluss des Gleichstromladegeräts wird ans Stromnetz angeschlossen, der Ausgangsanschluss des Gleichstromladegeräts wird an den Eingangsanschluss der Aufladung des Mehrzellenakkumulators angeschlossen, der Gleichstromversorgungsanschluss des Gleichstromladegeräts wird an den Stromversorgungseingang des Akkumanagementwerks angeschlossen, das Gleichstromladegerät und das Akkumanagementwerk kommunizieren sich über Daten-Bus. Der Minuspol der Akkuzelle im A-Akkuzellemodul wird an den negativen Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen, der Pluspol der Akkuzelle im A-Akkuzellemodul wird an den elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) des ersten B-Akkuzellemoduls angeschlossen. Mehrfache B-Akkuzellemodule werden in Reihen geschaltet. Für die Überwachung der thermischen Zustände des Mehrzellenakkumulators werden die Temperatursensoren in Akkumanagementwerk installiert. Das Gleichstromladegerät ist von dem Mehrzellenakkumulator trennbar. Im Entwurf für Einzelausgangsspannung wird der Pluspol der Akkuzelle des letzten B-Akkuzellemoduls an den positiven Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen. Im Entwurf für Multiausgangsspannung wird der positive Eingangsanschluss der Aufladung an den positiven Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen.
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Das Verfahren für die Vorrichtung zur Aufladung des Mehrzellenakkumlators mit direktem Ladungsausgleich enthält die folgenden Betriebsmodi:
- (1) Lagermodus: Wenn das Akkumanagementwerk weder kein Aufladungssignal noch kein Entladungssignal bekommt, befindet sich der Mehrzellenakkumulator in den Lagermodus. Das Akkumanagementwerk steuert alle elektronische Steuerschalter der allen Akkuzellemodule abzuschalten, um den eigenen Energieverbrauch des Mehrzellenakkumulators zu minimal reduzieren.
- (2) Aufladung: Wenn das Gleichstromladegerät an den Mehrzellenakkumulator angeschaltet wird, befindet sich der Mehrzellenakkumulator in Aufladung. Das Akkumanagementwerk steuert zuerst die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und gleichzeitig steuert die alle anderen elektronischen Steuerschalter abzuschalten. Jetzt sind die Minuspole der alle Akkuzellen am negativen Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators angeschlossen, das Akkumanagementwerk misst die Spannungen jeder Akkuzelle mit hoher Genauigkeit, aufgrund der gemessenen Akkuzellespannungen wählt das Akkumanagementwerk automatisch einen Lademodus aus. Wenn einige Akkuzellespannungen niedriger als der Untergrenzwert sind, bricht das Akkumanagementwerk die Aufladung ab und meldet das Fehl durch Zeiger.
- (3) Lademodus 1: Wenn die Restspannungen der Akkuzellen hoch sind, wird der Lademodus 1 durchgeführt. Das Akkumanagementwerk sendet dem Gleichstromladegerät zuerst ein Signal für niedrige Aufladungsspannung, die sich für die Aufladung der Einzelakkuzelle eignet. Nachdem die Eingangsspannung der Aufladung nachgeprüft wird, steuert das Akkumanagementwerk die elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) der allen Akkuzellemodule einzuschalten. Das Akkumanagementwerk hält die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellenmodule abzuschalten. Jetzt werden die Pluspole der allen Akkuzellen an den positiven Eingangsanschluss der Aufladung angeschlossen, die Minuspole der allen Akkuzellen werden an den negativen Eingangsanschluss der Aufladung angeschlossen. Alle Akkuzellen werden durch Parallelschaltung aufgeladen, am Ende der Aufladung erreichen alle Akkuzellen gleichzeitig die gleiche Fertigspannung.
- (4) Lademodus 2: Wenn die Restspannungen der Akkuzellen relativ niedrig sind, wird der Lademodus 2 durchgeführt. Um den Strom des Eingangsanschlusses der Aufladung zu reduzieren, sendet das Akkumanagementwerk dem Gleichstromladegerät zuerst ein Signal für hohe Aufladungsspannung, die sich für die Aufladung der in Reihen geschalteten Akkuzellen eignet. Nachdem die Eingangsspannung der Aufladung nachgeprüft wird, steuert das Akkumanagementwerk die elektronischen Parallelminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule abzuschalten. Danach steuert das Akkumanagementwerk die Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellemodule und den Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) des letzten B-Akkuzellemoduls einzuschalten, das Akkumanagementwerk halt alle andere elektronische Steuerschalter abzuschalten. Jetzt werden alle Akkuzellen durch Reihenschaltung aufgeladen. Das Akkumanagementwerk überwacht die Spannungen jeder Akkuzelle, wenn sich die Spannungen der Akkuzellen an die Fertigspannung nähern, wechselt das Akkumanagementwerk die Aufladung automatisch in Lademodus 1.
- (5) Lademodus 3: Wenn einige Akkuzelle die relativ hohen Spannungsunterschiede als andere Akkuzelle betragen, wird der Lademodus 3 durchgeführt. Das Akkumanagementwerk sendet dem Gleichstromladegerät zuerst ein Signal für niedrige Aufladungsspannung, die sich für die Aufladung der Einzelakkuzelle eignet. Nachdem die Eingangsspannung der Aufladung nachgeprüft wird, steuert das Akkumanagementwerk die elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) der Akkuzellemodule, in den die Akkuzellen die relativ niedrige Spannung betragen, einzuschalten. Das Akkumanagementwerk hält die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellemodule abzuschalten. Jetzt werden die Akkuzellen, die die relativ niedrige Spannung betragen, nachgeladen. Gleichzeitig überwacht das Akkumanagementwerk die Spannungen der allen Akkuzellen, damit die Spannung dieser Akkuzelle durch die Nachladung an die Durchschnittspannung der anderen Akkuzellen erreichen. Nach der Nachladung wechselt das Akkumanagementwerk die Aufladung aufgrund der aktuellen Spannungen jeder Akkuzelle automatisch in Lademodus 1 oder Lademodus 2.
- (6) Entlademodus: In diesem Entwurf wird der Mehrzellenakkumulator als Einzelausgangsspannung und Multiausgangsspannung unterteilt. Bei der Einzelausgangsspannung, wenn das Akkumanagementwerk das Entladesignal bekommt, befindet sich der Mehrzellenakkumulator in den Entlademodus. Das Akkumanagementwerk steuert die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) der allen Akkuzellemodule einzuschalten und alle andere elektronische Steuerschalter abzuschalten. Jetzt befinden sich die Akkuzellen des Mehrzellenakkumulators in der Reihenschaltung, die Ausgangsspannung des Mehrzellenakkumulators ist die Summe von den allen Akkuzellespannungen.
Bei der Multiausgangsspannung, wenn das Akkumanagementwerk das Entladesignal und das Auswahlsignal der Ausgangsspannungen bekommt, befindet sich der Mehrzellenakkumuiator in den Entlademodus. Das Akkumanagementwerk steuert die elektronischen Reihenschlusssteuerschalter (SW3) in teilweisen Akkuzellemodulen, die elektronischen Parallelschlusspluspolsteuerschalter (SW1) in teilweisen Akkuzellemodulen und die elektronischen Parallelschlussminuspolsteuerschalter (SW2) in teilweisen Akkuzellemodulen einzuschalten, gleichzeitig hält das Akkumanagementwerk die anderen elektronischen Steuerschalter abzuschalten. Die Akkuzellen werden durch unterschiedliche Kombinationen in Reihen und Parallel am Ausgangsanschluss des Mehrzellenakkumulators geschaltet, damit der Mehrzellenakkumulator die unterschiedlichen Ausgangsspannungen abgeben kann.
- (7) Überwachfunktion: Bei Ladung und Entladung überwacht das Akkumanagementwerk die Spannungen jeder Akkuzelle und die Temperatur des Mehrzellenakkumulators. Falls der Parameter über den Grenzwert übertritt, bricht das Akkumanagementwerk die Ladung oder die Entladung sofort ab und meldet den Fehl durch Zeiger.
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Diese Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrzellenakkumulator oder der Superkondensator die relativ niedrige Aufladungsspannung annehmen können, die Ausgangsspannung der Entladung kann durch die unterschiedlichen Kombinationen der Reihen- und Parallelschaltung der Zellemodule eingestellt werden. Im Aufladungsvorgang benötigen die Akkuzellen oder die Superkondensatoren keinen zusätzlichen Ladungsausgleich, dadurch wird die Aufladungszeit reduziert. Wenn die Superkondensatoren mit diesem Entwurf für die Rekuperation im Elektrofahrzeug eingesetzt werden, kann sich die Aufladungsspannung der Superkondensatoren durch die unterschiedlichen Kombinationen der Schaltungen der Superkondensatoren flexibel ändern, dadurch kann sich die Aufladung für die von der E-Maschine bei Rekuperation erzeugte Spannung eignen, um der höchste Rekuperationsgrad zu realisieren. Bei Anfahren kann die Ausgangsspannung der Superkondensatoren sich noch aufgrund der Anforderung der E-Maschine ändern.
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Am Ende muss es erläutert werden, dass sich bei der vorliegenden Beschreibung nur um die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung handelt. Der Schutzumfang beschränkt sich nicht auf diese Ausführungsform und die anhängenden Zeichnungen. Trotzdem hat die vorliegende Ausführungsform die Erfindung detailliert beschrieben, können die Fachleute auf diesem technischen Gebiet immer noch die in der vorliegenden Ausführungsform aufgezeichnete technische Lösung modifizieren, oder die teilweisen technischen Merkmale durch Äquivalente ersetzen. Alle im Prinzip dieser Erfindung stehende Modifikationen, äquivalente Ersetzungen, Verbesserungen stehen im Rahmen des Schutzumfangs dieser Erfindung.
