DE10312362A1 - Lade und Ausgleich System für Akkumulatoren, Einzelzellen oder Blöcke (Kurz LAS) - Google Patents

Abstract

Die Ansprüche gelten für ein Lade-Ausgleich-System (kurz. LAS) zum Wiederaufladen von Akkumulatoren, die in Form von Einzelzellen oder Blöcken vielfach in Reihe geschaltet sind.
Im LAS findet ein kapazitiver Ausgleich dieser beim Laden und Entladen statt.
LAS Gerätebeschreibung (Stand der Technik)
– Halbbrücken Hf.-Wandler, Frequenzgang 20 bis 150 kHz
– Potentialfreie Ansteuerung der Leistungsendstufe
– Weich schaltende Leistungshalbleiter mit nur minimalem Entlastungsnetzwerk
– Einfache beherrschbare Leistungshalbleiter Mosfets
– Standart Netzfilter

Description

• Die Erfindung beruht auf der Basis der Resonanztechnik und dient zum Wiederaufladen von in Reihe verschalteten Akkumulatoren/Zellen bei gleichzeitigem Angleichen ihrer maximalen Kapazität.
• Es ist bekannt, daß Geräte mit enormen Aufwand zum reinen Ausgleich von Batterieblöcken im stationären Einsatz existieren.
• Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Ladegerät inklusive Ladeausgleich bei maximaler Effizienz und kompakten, kleinen Aufbau zu realisieren.
• Diese Aufgabe wird in der Erfindung dadurch gelöst, daß ein einziger Trafo zum Laden wie zum Ausgleichen benutzt wird. Durch die Wicklungsauslegung, so wie durch das Benutzen einer besonderen Hf. – Litze, die eine Verarbeitung ohne Lagenisolation ermöglicht, ergibt sich eine hohe Kopplung.
• Diese ermöglicht es, einen Trafo zu verwenden, der durch seine Eigenschaften eine gleichmäßige Spannungsabgabe bei bis zu 20 voneinander potentialfreien getrennten Einzelspannungen bereitstellt.
• Somit können Zellen bzw. Blöcke a 2,4 V, 7,2 V und z.B. 14,4 V. geladen werden. Weitere Zell/Blockspannungen sind jederzeit realisierbar.
• Damit erfüllt die Erfindung aus Anwendersicht einen großen Wunsch. Dem Speichersystem kann auf diese Weise ohne Schädigung durch Überladungen/Tiefentladungen ein Maximum an Energie zugeführt und entnommen werden.
• Bei diesem System ist eine Regelung, oder Überwachung, der einzelnen Spannungen nicht notwendig.
• Die Erkennung zur Volladung kann hier über die Gesamtspannung erfolgen. Somit sind aufwendige Einzelregler zum Steuern der Strom/Spannungsanpassung nicht notwendig, was dazu führt, das diese Erfindung nur geringer Störanfälligkeit ausgesetzt wird. Auch das Ausgleichsladen während des Betriebs wird von der Gesamtsystemspannung gesteuert. Hier wird lediglich ein Leistungsanpassung gem. der zur Verfügung stehen Systemspannung durchgeführt.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
• Der Ausgleichslader ermöglicht das korrekte Laden ab 2 Zellen oder 2 Blöcken die in Reihe zur Erhöhung der Spannung geschaltet sind. Die Anzahl der Zellen /Blöcke die geladen werden, sind durch Kaskadierung des Ausgleichslader nach oben nicht begrenzt.
• Das Verfahren kommt typischerweise in Blei-Speichersystemen zum Einsatz, kann aber ebenso mit Erfolg bei Ni-Cd, Ni-Mh oder auch Li-Ion Systemen eingesetzt werden. Eine eindeutige Verbesserung der Zyklenzahl und der Energieabgabe ist nachweislich der Fall.
• Durch diese Erfindung ist es möglich alle Zellen oder Blöcke die am Ausgleichslader verschaltet sind ab Beginn des Ladeprozesses am Ausgleich teilhaben zu lassen.
• So werden auch bereits bei Teilladung im Vorfeld und nicht nur gegen Ende, alle Akkus auf ein gleiches Kapazitätsniveau gebracht.
• Die eingesetzte Resonanztechnik hat bei der Entwicklung zwei bedeutende technische Einflüsse auf das Verfahren.
• Damit ist es möglich, gerade am Einphasennetz ohne zusätzlichen technischen Aufwand, das Maximum an Energie über einen Trafo potentialfrei von der Primärseite zur Sekundärseite zu transformieren.
• 1. Grundschaltung (Eingang des Wandlers)
• 1 zeigt die angewandte Resonanztechnik in Halb-Brückenschaltung mit den Resonanzelementen L und C, sowie die Gleichrichtung der Eingangsspannung und die dadurch netzabhängige selbstregelnde sinusförmige Stromführung. Des weiteren die Schalter S1, über die, die Systemspannung bei Ausgleich aus der selben der Primärseite zugefuhrt wird.
• Bild 1 als Anlage:
• Technische Beschreibung des Ablaufes.
• Die Netzspannung wird über eine Siebdrossel geführt und dann an den Wechselspannungsanschlüssen des Gleichrichters angelegt. Je nach Leistungsauslegung des Laders erfolgt eine Glättung der Gleichspannung von einigen wenigen μF um eine messbare und auswertfähige Gleichspannung zu erhalten. Diese Spannung wird dann zu den Leistungsschaltern (Mosfet Transistoren) geführt, welche potentialfrei über einen Übertrager angesteuert werden. Wie schon erwähnt wird der Resonanzkreis durch L und C gebildet.
• Die Spannung an C ist zu Beginn 0 Volt. Schaltet nun T1. ein, entsteht eine Strom-Sinushalbschwingung über T1, L, Tr, und C. Der Kondensator wird während dieser Zeit aufgeladen, von 0 Volt auf U Eingang. Wenn diese Halbschwingung abgeschlossen ist, wird T1 aus und T2 unmittelbar danach eingeschaltet und es ergibt sich nun eine Halbschwingung in umgekehrter Richtung, in der, der Kondensator C wieder entladen wird.
• Bei jeder Schwingung wird eine bestimmte Energiemenge von der Primärseite auf die Sekundärseite transformiert. Die Regelung derselben erfolgt mit konstanter Pulslänge und variabler Frequenz.
• Diese Schaltung in ZCS-Resonanz ermöglicht ein fast verlustloses Schalten der Leistungshalbleiter, da im Stromnulidurchgang geschaltet wird. Somit ist auch eine verminderte Funkstörung das Ergebnis.
• Die je Halbschwingung übertragene Leistung hängt von der richtigen Wahl von L und C ab. Je größer C und je kleiner L für eine gewählte Resonanzfrequenz ist, desto größer wird die Energie, die je Halbschwingung übertragen werden kann.
• Wobei C durch mehrere kleine Kondensatoren in Parallelschaltung gebildet wird. Damit findet bei großen Leistungen eine Entlastung der einzelnen Bauteile statt und die Betriebssicherheit wird um ein mehrfaches erhöht. Zur guten Kopplung der Primär- und Sekundärwicklungen wird ein besonders Isolierte Hf. –Litze benutzt, welche keine Lagenisolierung zwischen den Wicklungen benötigt. Daraus ergibt sich eine Verbesserung der Kopplung um den Faktor 2 und ein erhöhtes Platzangebot im Wickelraum um bis zu 25%.
• 2. Grundschaltung mit Sekundärausgang für mehrere Gleichspannungen
• 2 zeigt den sekundärseitigen Ausgang für 6 Akkus
• Bild 2 als Anlage:
• Da beim Laden so wie beim Ausgleichsladen unterschiedliche Spannungen je nach Akku-Ladezustand und somit unterschiedlich hohe Ströme zum Zusammenführen der Einzelkapazität notwendig sind, wird in dieser Schaltungstechnik die benutzte Halb-Brücken Übertragung so beeinflußt, daß dieser eine Verhalten wie beim Sperrwandler bekannt, annimmt.
• Beim Entladen, der Akkus, werden nach Entnahme einer Kapazitätsmenge von z.B.: 20% und Feststellung einer Spannungsabweichung der Zellen, oder Akkus untereinander die Schalter S1. geschlossen. Nun kann mit der angelegten Systemspannung eine Anpassung der Unterschiedlichen Kapazitäten der Zellen/-Akkus erfolgen.
• Der Ausgleich finden nur so lange statt, wie eine Belastung des Systems durch einen Verbraucher gegeben ist. Dadurch wird das System nur minimal zusätzlich belastet.
• Der erfolgte Spannungsausgleich d.h. Stütze eines schwachen Elementes erfolgt somit sehr effektiv.
• Wie beim Ladevorgang bekommt der Akku/ oder die Zelle mit der niedrigsten Spannung den höchsten Strom zugewiesen.
• Je nach Bedarf und Einsatzgebiet kann über die analoge Steuerung selbstverständlich eine Anpassung des gewünschten Ausgleichs vom Benutzer in gewissem Umfang selbst eingestellt werden. Dabei werden nicht effiziente Vorgaben durch die digitale Überwachung nicht an die Leistungselektronik übermittelt, wobei so ein Ausgleich nur bei selbst erkannter effizienter Nutzung freigegeben wird.
• Durch den spezifischen Wicklungsaufbau des verwendeten Trafos und des zu berechnenden Luftspaltes ermöglicht der Übertrager stets die größte Energie in den Akku zu senden welcher zur Zeit die geringste Kapazität aufweist. Um die Anzahl der Windungen und der Ausgangsgleichrichter gering zu halten, wird auf der Ausgangsseite bei mehr als 5 zu ladenden Akkus mit der Zweiweggieichrichtung in Mittelpunktschaltung gearbeitet.
• Bei kleinerer Anzahl oder bei stationärem Einsatz wird die Brückengleichrichtung zum Einsatz gebracht.
• Um die Dioden möglichst gering zu belasten wird die Hf.-Spannung nach der Gleichrichtung durch Schottky Dioden über die Ausgangsdrossel L geführt, eine Glättung der selben erfolgt durch mehrere parallel geschaltete Kondensatoren kleiner Impedanz.
• Insgesamt hat dieser Wandler einige bemerkenswerte Vorteile gegenüber traditionellen Schaltnetzteilen.
• – Der ZCS Halb-Brückenwandler in Resonanztechnik ermöglicht wie der Sperrwandler mehrere Ausgangsspannungen die wie parallelgeschaltet erscheinen und somit die größte Energie immer in die niedrigste Ausgangsspannung fließt.
• – Geringe Schaltverluste und Funkstörungen.
• – Leerlauf- und Kurzschlußfestigkeit funktionieren ohne elektrische Überwachung.
• – Der Wirkungsgrad ist größer 95 %.
• – Er ermöglicht einen Ladeausgleich bis auf +/– 1% der Akkukapazität.
• – Alle zum jetzigen Zeitpunkt bekannten Akkutypen sind damit ladbar, untereinander angleichbar und während des Entladens ausgleichbar.
• 3 zeigt ein Diagramm mit und ohne Ausgleichsladen
• Bild 3 als Anlage:
• Diese Auswertung wurde mit dem vorhandenen Prototypen ermittelt welcher zur Zeit in einem Elektromobil seine Alltagstauglichkeit unter Beweis stellt.
• Mit diesem System können Anwendungen wesentlich sicherer und langlebiger ihre Dienste verrichten. Die Anwendungen erstrecken sich über USV-Anlagen, Solare-Inselsysteme, Stützung der Netzspannung, Elektrofahrzeuge, Satelittenanlagen, Notrufsysteme und Militärfahrzeuge z.B.: U-Boote.
• Die Ladeenergie kann sowohl aus dem Einphasennetz, wie auch aus dem Drehstromnetz entnommen werden. Eine Speisung aus Wind- oder Photovoltaikanlagen ist genau so möglich wie mit der Rekupationsenergie eines Antriebsmotors.
• Durch Tests des Prototypen wurde bereits der Nachweis erbracht, daß die durchschnittliche Ladeenergie um bis zu 15 % verringert wurde, die entnehmbare Kapazität des Gesamtsystems aber gleichzeitig um 20 % höher lag, als bei Ladegeräten die nicht in Resonanz und ohne Ausgleich von Blöcken/Zellen arbeiten.
• Des weiteren besitzt der Ausgleichslader eine potentialfreie Schnittstelle für eine direkte Anzeige aller zu ladenden Blöcke/Zellen
• Als Spannungslupe ausgeführt, können über eine Barkraftanzeige bzw. LCD-Display jederzeit Spannungsschritte von 0,4 Volt abgelesen werden die somit dem Anwender die Wirksamkeit des Ausgleichvorgangs demonstrieren.
• Über diese Schnittstelle wird auch der Bord Controller mit Daten versorgt.
• In Verwendung zur Überwachung und Ergänzung der analogen Steuerung dienen diese Daten zur Aktivierung eines lernfähigen Programms, womit dann in die Steuerung eingegrtffen wird, wenn sich widersprüchliche Abläufe der eingestellten Lade- und Entladekurve aus der analogen Ablaufsteuerung ergeben.
• 4 Programm Fluß zur Überwachung der analogen Steuereinheit.
• Bild 4 als Anlage.
• Der integrierte Langzeitdatenspeicher verarbeitet und vergleicht die Daten über Monate und ermittelt so die Wirksamkeit der Anwendung.
• Über das selbstlernende Programm wird unter anderem das altersbedingte sich verändernde Ladeverhalten des/der Akkus ermittelt und korrigiert. Mittels ein oder mehreren Temperaturfühler wird sowohl der maximale Ladestrom sowie die Ladeentspannung angepasst.
• Als Besonderheit für Elektrofahrzeuge und deren Fahrer kann der Lader den jeweiligen Ladezustand per Funk an den Betreiber bis zu 300m Entfernung übermitteln.

Claims (3)

1. Die Ansprüche gelten für ein Lade-Ausgleich-System (kurz. LAS) zum Wiederaufladen von Akkumulatoren, die in Form von Einzelzellen oder Blöcken vielfach in Reihe geschaltet sind. Im LAS findet ein kapazitiver Ausgleich dieser beim Laden und Entladen statt. LAS Gerätebeschreibung (Stand der Technik) – Halbbrücken Hf.-Wandler, Frequenzgang 20 bis 150 kHz – Potentialfreie Ansteuerung der Leistungsendstufe – Weich schaltende Leistungshalbleiter mit nur minimalem Entlastungsnetzwerk – Einfache beherrschbare Leistungshalbleiter Mosfets – Standart Netzfilter
2. 2. dadurch gekennzeichnet, daß (für die Erfindung unbedingt erforderlich) Auf einem PM-Kern (Größe 75/59) mit Ferritkern sind bis zu 14 potentialfreie Ausgänge realisiert, wobei der Wicklungsaufbau der primär und sekundärseitigen HF-Litze ohne Lagenisolierung realisiert werden kann. Selbiges gilt für einen PM–Kern (Größe 87/70) mit 20 potentialfreien Ausgängen. Unter Einbringung eines Luftspaltes jede gewünschte Menge an gleichen Ausgangsspannungen erzeugt werden, unter unterschiedlicher Lastanforderung. Der Ausgleich sofort ab Ladebeginn mit dem maximalen Strom beginnt, den die Zelle oder der Block benötigt um eine Angleichung der Kapazität statt finden zu lassen. Der Innenwiderstand des zu ladenden Akkus eine direkte Größe auf den Ladestrom nimmt. Eine weitere Besonderheit des Lade-Ausgleich-Systems (LAS) ist, das der Ausgleich eines Akkus über die gesamte Systemspannung erfolgt, wenn eine Spannungsabweichung zur besten Zelle 0,2 Volt oder zum besten Block 0,6 Volt beträgt. Das LAS benötigt keine verlustbehaftete Einzelregelung der einzelnen Ausgänge und keine hoch geglättete Eingangsspannung. Außerdem wird die übertragbare Leistung durch „Resonanzelemente" bestimmt, und dabei der bekannte Halbbrückenwandler mit den Vorteilen des Sperrwandler kombiniert. Die Technik der Hf.-Leistungsübertragung generiert durch das sinusförmige Laden und Entladen der Größe C im Resonanzkreis einen sinusförmig fließenden Strom im Trafo, welcher in dieser Form nur aus der Netzspannung bekannt ist. Dadurch entfällt ein erheblicher Bauteileaufwand zur Funkentstörung und führt zu einer kleinen kompakten Bauweise. Diese Schaltungsart ermöglicht auch bei einfachen Netzgeräten z.B. für alle Geräte des täglichen Bedarfs welche mit Niederspannung betrieben werden müssen, eine deutliche Wirkungsgradverbesserung. Mit Wirkungsgradsteigerungen von bis zu 30 % je nach Anwendung bedeutet dies eine zusätzliche, erhebliche ökologische und ökonomische Entlastung.
3. 3. Alternative Möglichkeiten zum Laden oder/und Ausgleichen. Es wären so viele Einzelladegeräte wie Zellen oder Akku-Blöcke zu laden wären notwendig. Wobei sichergestellt sein muß, daß alle Strom/Spannungsregler einen gleichen Abschaltzeitpunkt besitzen. Nur Ausgleichen mit einem Ausgleichsmanagement, wobei ab 10 Blöcken zwei Geräte zum Einsatz kommen müssten.