DE10345306A1 - Charging and monitoring process for road vehicle batteries having separate cells subjected to different voltages - Google Patents

Charging and monitoring process for road vehicle batteries having separate cells subjected to different voltages Download PDF

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Abstract

The road vehicle battery [1] has a number of single cells [2a- 2f] and are identical with each cell having two electrode plates. Connectors [4] interconnect the cells. An electronic circuit [5] has multiple connections [6b-6f] to the cells. This allows optimum charging based upon application of different voltages to the cells.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Kfz-Starterbatterie, bestehend aus mehreren Einzelzellen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zum Überwachen einer solchen Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.The The invention relates to a device for charging a battery, in particular a car starter battery, consisting of several individual cells, according to the generic term of claim 1, and an apparatus for monitoring such a battery according to the preamble of claim 5.

Batterien, wie sie in nahezu jedem Kraftfahrzeug als Starterbatterien eingesetzt sind, bestehen aus mehreren seriell verschalteten Einzelzellen. Im Falle einer Blei/Säure-Batterie mit einer Nennspannung von 12V werden beispielsweise 6 Einzelzellen benötigt, die jeweils etwa 2V Spannung erzeugen, um eine Gesamtspannung von 12V zu erhalten.batteries, as used in almost every motor vehicle as starter batteries are, consist of several series-connected single cells. In the case of a lead / acid battery For example, with a rated voltage of 12V, 6 single cells are needed each generate about 2V voltage to a total voltage of 12V to obtain.

Aufgrund von Toleranzen bei der Herstellung der Einzelzellen unterscheiden sich die Zellen in ihrem elektrischen Verhalten. Aus diesem Grund werden die Einzelzellen bei Betrieb der Batterie unterschiedlich stark belastet und unterschiedlich stark aufgeladen. Die „schwächste" der Einzelzellen ist wegen der seriellen Verschaltung der Zellen daher für die Entladung der Gesamtbatterie begrenzend.by virtue of different from tolerances in the production of single cells the cells are in their electrical behavior. For this reason the single cells will be different when the battery is in operation heavily loaded and differently charged. The "weakest" of the single cells is because of the serial interconnection of the cells therefore for the discharge limiting the total battery.

Zur Diagnose einer Fahrzeugbatterie, insbesondere zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit, ist es bekannt, sogenannte Batteriezustandserkennungseinrichtungen einzusetzen, die aus den aktuellen Betriebsgrößen, wie beispielsweise der Batteriespannung, dem Batteriestrom oder der Batterietemperatur, den Batteriezustand und insbesondere die Leistungsfähigkeit der Batterie ermitteln. Dabei wird jedoch nur der Zustand der gesamten Batterie beurteilt, nicht jedoch der Zustand von Einzelzellen.to Diagnosis of a vehicle battery, in particular for determining the performance, It is known, so-called battery condition detection devices used, from the current operating variables, such as the battery voltage, the battery current or the battery temperature, the battery condition and in particular the performance determine the battery. However, only the condition of the whole becomes Battery assessed, but not the state of single cells.

Bei einem herkömmlichen Ladevorgang besteht daher das Problem, dass einzelne Zellen noch nicht optimal geladen sind, wenn die Klemmenspannung der Batterie einen vorgegebenen Sollwert (z.B. 14,5V Klemmenspannung) erreicht hat. Bei einem Entladevorgang können außerdem einzelne Zellen schon zu tief entladen sein, wenn ein vorgegebenes Entladeschlusskriterium (z.B. eine minimale Klemmenspannung) der Gesamtbatterie erreicht ist. Ein solcher, nicht optimaler Lade-Entlade-Betrieb der Fahrzeugbatterie kann zu einer verkürzten Lebensdauer oder einer geringeren Leistungsfähigkeit der Batterie führen. Dies gefährdet wiederum die Sicherheit im gesamten Fahrzeug.at a conventional one Charging process therefore poses the problem that single cells do not yet are optimally charged when the terminal voltage of the battery predetermined setpoint (e.g., 14.5V terminal voltage). During a discharge process can Furthermore single cells are already too deep discharged, if a predetermined discharge criterion (e.g., a minimum terminal voltage) of the entire battery is. Such, not optimal charge-discharge operation of the vehicle battery can be shortened Life or lower battery performance. This endangered again the safety throughout the vehicle.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Leistungsfähigkeit einer Batterie optimiert und das Ausfallrisiko reduziert werden kann.It Therefore, the object of the present invention is a device to optimize the performance of a battery and the risk of default can be reduced.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Is solved this task according to the invention by the specified in claim 1 and in claim 5 Characteristics. Further embodiments of the invention are the subject of dependent claims.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Batterie mit Einzelzellen-Abgriffen zu verwenden, die an einer Ladeelektronik angeschlossen sind, die derart eingerichtet ist, dass an wenigstens einer der Einzelzellen eine höhere Spannung anlegbar ist, als an einer anderen der Einzelzellen. Bei einem Ladevorgang, bei dem an den Batterieklemmen (B+, B–) beispielsweise 14,4V Ladespannung anliegen – bei einer Batterie mit 6 Einzelzellen sind dies 2,4V pro Einzelzelle – erzeugt die Ladeelektronik an einer der Einzelzellen eine höhere Spannung von z.B. 2,65V. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Einzelzelle vollständig aufgeladen wird.One essential aspect of the invention is a battery with Single cell taps to use on a charging electronics are connected, which is arranged so that at least one of the single cells a higher Voltage is applied, as at another of the individual cells. at a charging process in which at the battery terminals (B +, B-), for example 14.4V charging voltage applied - at a battery with 6 single cells are 2.4V per single cell - generated the charging electronics at one of the individual cells a higher voltage from e.g. 2,65V. This can ensure that the single cell Completely is charged.

Vorzugsweise werden mehrere Zellen nacheinander mit der höheren Spannung geladen. Die Ladespannung an einer Einzelzelle ist vorzugsweise zwischen 0,1V und 0,5V höher als bei einem normalen Ladevorgang, wenn die Batterie über die Batterieklemmen (B+, B–) geladen wird.Preferably several cells are charged one after the other with the higher voltage. The Charging voltage to a single cell is preferably between 0.1V and 0.5V higher as in a normal charging process, when the battery is over Battery terminals (B +, B-) is loaded.

Die Höhe der Spannung ist vorzugsweise derart bemessen, dass die Gasungsspannung einer Einzelzelle überschritten wird. Dadurch können die Zellen vollständig geladen werden.The height of Voltage is preferably such that the gassing voltage exceeded a single cell becomes. Thereby can the cells completely getting charged.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Einzelzellen der Batterie während eines Entladevorgangs individuell zu überwachen. Erfindungsgemäß wird hierzu die Spannung an den Einzelzellen gemessen und individuell überwacht, ob die Spannung ein vorgegebenes Entladeschlusskriterium, wie z.B. eine Mindestspannung unterschreitet. Wahlweise kann auch überprüft werden, ob die in der Zelle enthaltene Ladung eine Mindestladung unterschreitet. Die Zellenspannung kann an verschiedenen Einzelzellen stark unterschiedlich hoch sein. Beim Entladen der Batterie kann es daher vorkommen, dass einzelne Zellen zu tief entladen werden und sich nicht mehr regenerieren können. Eine Tiefentlade-Überwachung der Einzelzellen hat daher den Vorteil, dass Tiefentladungen von Einzelzellen vermieden werden können.One Another essential aspect of the invention is the single cells the battery during individually monitor a discharge. According to the invention for this purpose measured the voltage at the individual cells and monitored individually, whether the voltage meets a predetermined discharge completion criterion, such as a minimum voltage falls below. Optionally, you can also check if the charge contained in the cell falls below a minimum charge. The cell voltage can vary greatly at different single cells be. When discharging the battery, it may therefore happen that individual Cells are discharged too deeply and do not regenerate can. A Deep discharge monitoring the single cells therefore has the advantage that deep discharges of Single cells can be avoided.

Bei Unterschreiten des Entladeschlußkriteriums können verschiedene Maßnahmen im Rahmen eines Energie- und Verbrauchermanagements durchgeführt werden, wie z.B. leistungserhöhende Maßnahmen (Erhöhen der Ladespannung) oder verbrauchsmindernde Maßnahmen (wie z.B. das Abschalten vorgegebener Verbraucher), um die Batterie zu schonen.at Fall below the unloading limit criterion can different measures be carried out within the framework of energy and consumer management, such as. performance enhancing measures (Increase the charging voltage) or consumption-reducing measures (such as shutdown given consumer) to protect the battery.

Zu Diagnosezwecken können ferner beliebige elektrische Eigenschaften der Einzelzellen, wie z.B. das Ruhepotential oder der Innenwiderstand, mittels der erfindungsgemäßen Elektronik individuell überwacht werden.For diagnostic purposes, any electrical properties of the individual cells, such as For example, the rest potential or the internal resistance, are monitored individually by means of the invention electronics.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert.The Invention will be exemplified below with reference to the accompanying drawings explained in more detail.

1 zeigt eine Fahrzeugbatterie 1, bestehend aus mehreren Einzelzellen 2a bis 2f. Die Einzelzellen sind im wesentlichen identisch aufgebaut und umfassen jeweils zwei Elektrodenplatten 3a, 3b-3k, 3l (jeweils eine Pluselektrode und eine Minuselektrode), die in einer Elektrolytflüssigkeit (nicht gezeigt) stehen. Zwei benachbarte Elektrodenplatten (z.B. 3b, 3c) unterschiedlicher Einzelzellen 2a bis 2f sind jeweils durch elektrische Verbindungselemente 4 miteinander verbunden. 1 shows a vehicle battery 1 , consisting of several single cells 2a to 2f , The individual cells are constructed essentially identical and each comprise two electrode plates 3a . 3b - 3k . 3l (one plus electrode and one minus electrode, respectively) which are in an electrolyte liquid (not shown). Two adjacent electrode plates (eg 3b . 3c ) of different single cells 2a to 2f are each by electrical connection elements 4 connected with each other.

Neben den üblichen Hauptklemmen B+, B– hat die Batterie 1 sogenannte Einzelzellen-Abgriffe 6a bis 6g, über die die Einzelzellen 2a bis 2f zugänglich sind. Die Einzelzellen 2a bis 2f können somit über die Abgriffe 6a, 6b; 6b, 6c, ... 6f, 6g geladen oder diagnostiziert werden.In addition to the usual main terminals B +, B- has the battery 1 so-called single cell taps 6a to 6g about which the single cells 2a to 2f are accessible. The single cells 2a to 2f can thus over the taps 6a . 6b ; 6b . 6c , ... 6f . 6g be loaded or diagnosed.

Die Einzelzellenabgriffe 6a bis 6g sind aus der Batterie 1 herausgeführt und an einer Elektronik 5 angeschlossen, die je nach Anforderung unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen kann, um die Batterie 1 optimal zu betreiben. Die Elektronik 5 kann als Hardware oder in Form eines Steuergeräts mit entsprechenden Algorithmen implementiert sein.The single cell taps 6a to 6g are out of the battery 1 brought out and at an electronics 5 connected, which may have different functionalities to the battery depending on the requirement 1 to operate optimally. The Electronic 5 can be implemented as hardware or in the form of a controller with appropriate algorithms.

In diesem Beispiel umfasst die Elektronik 5 Funktionen, die das Laden der Batterie 1 optimieren und das Entladen der Batterie 1 überwachen, um insbesondere Tiefentladungen zu verhindern. Die Funktionen werden im folgenden näher erläutert:
Bei einem herkömmlichen Ladevorgang, bei dem die gesamte Batterie 1 von einem Fahrzeuggenerator in bekannter Weise über die Klemmen B+, B– geladen wird, beträgt die Ladespannung z.B. 14,4V, d.h. jede der Einzelzellen 2a bis 2f sieht eine Ladespannung von 2,4V (14,4V/6). Um die Batterie 1 vollständig laden zu können, reicht diese Spannung von 14,4V meist nicht aus. Die Ladeelektronik 5 wählt daher einzelne Zellen 2a bis 2f aus, die mit einer höheren Spannung von z.B. 2,65V aufgeladen werden. Diese Spannung ist meist ausreichend, um die Gasungsspannung in einer Einzelzelle 2a bis 2f zu überschreiten. Dadurch können die Einzelzellen 2a bis 2f nacheinander vollständig aufgeladen werden. Der wesentliche Vorteil bei dieser Lademethode liegt darin, dass in dem an der Batterie 1 angeschlossenen Bordnetz nur eine Spannung von 14,4V + 0,25V = 14,65V auftritt. Um die Batterie 1 dagegen in herkömmlicher Weise über die Klemmen B+, B– vollständig aufzuladen, müsste an der Batterie 1 eine Spannung von etwa 16V (14,4V + 6 × 0,25V) angelegt werden. Dies kann zu einer Überlastung empfindlicher Verbraucher, wie z.B. von Steuergeräten im Bordnetz, führen.In this example, the electronics includes 5 Functions that charge the battery 1 optimize and discharge the battery 1 monitor, in particular to prevent deep discharges. The functions are explained in more detail below:
In a conventional charging process in which the entire battery 1 is charged by a vehicle generator in a known manner via the terminals B +, B-, the charging voltage is for example 14.4V, that is, each of the individual cells 2a to 2f sees a charging voltage of 2.4V (14.4V / 6). To the battery 1 To fully charge, this voltage of 14.4V is usually not enough. The charging electronics 5 therefore chooses single cells 2a to 2f out, which are charged with a higher voltage of eg 2.65V. This voltage is usually sufficient to control the gassing voltage in a single cell 2a to 2f To exceed. This allows the individual cells 2a to 2f be fully charged in succession. The main advantage of this charging method is that in the on the battery 1 connected electrical system only a voltage of 14.4V + 0.25V = 14.65V occurs. To the battery 1 on the other hand in the conventional way on the terminals B +, B- fully charge, would have to the battery 1 a voltage of about 16V (14.4V + 6 × 0.25V) can be applied. This can lead to an overload of sensitive consumers, such as control units in the electrical system.

Neben dieser Lade-Optimierung hat die hat die Elektronik darüber hinaus die Funktion, eine Tiefentladung der Batterie zu vermeiden. Hierzu wird die Zellenspannung der Einzelzellen 2a bis 2f an den Klemmen 6a, 6b; 6b, 6c, ... 6f, 6g abgegriffen und Schwellenwert überwacht. Somit kann festgestellt werden, ob die Zellenspannung in einer der Einzelzellen 2a bis 2f eine vorgegebene Mindestspannung unterschreitet. Ist dies der Fall, können verschiedene Maßnahmen im Rahmen eines Energie- und Verbrauchermanagements durchgeführt werden. Hierzu gehören beispielsweise das Erhöhen der Generatorleistung oder das Abschalten vorgegebener Verbraucher, um den Verbrauch zu mindern.In addition to this charge optimization, the electronics also has the function of avoiding a deep discharge of the battery. For this purpose, the cell voltage of the individual cells 2a to 2f at the terminals 6a . 6b ; 6b . 6c , ... 6f . 6g tapped and threshold monitored. Thus it can be determined if the cell voltage in one of the single cells 2a to 2f falls below a predetermined minimum voltage. If this is the case, various measures can be implemented within the framework of energy and consumer management. These include, for example, increasing the generator power or shutting down given consumers to reduce consumption.

Durch den optimierten Lade-Entlade-Betrieb kann die Lebensdauer der Batterie 1 wesentlich erhöht werden.Optimized charge-discharge operation can extend battery life 1 be increased significantly.

11
Batteriebattery
2a-2f2a-2f
EinzelzellenSingle cells
3a-313a-31
Elektrodenplattenelectrode plates
44
Zellenverbindercell connector
55
Elektronikelectronics
6a-6g6a-6g
Abgriffetaps
B+, B–B + B-
Hauptklemmenmain terminals

Claims (7)

Vorrichtung zum Betreiben einer Batterie (1), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit mehreren seriell verschalteten Einzelzellen (2a-2f), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (5) mit den Einzelzellen (2a-2f) verbunden und derart eingerichtet ist, dass an eine der Zellen (2a-2f) eine höhere Spannung anlegbar ist, als an eine andere der Zellen (2a-2f).Device for operating a battery ( 1 ), in particular a vehicle battery, with a plurality of series-connected individual cells ( 2a - 2f ), characterized in that the device ( 5 ) with the single cells ( 2a - 2f ) and adapted to connect to one of the cells ( 2a - 2f ) a higher voltage can be applied than to another of the cells ( 2a - 2f ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Einzelzellen (2a-2f) der Batterie (1) nacheinander mit einer höheren Spannung aufgeladen werden als andere Einzelzellen (2a-2f).Device according to Claim 1, characterized in that a plurality of the individual cells ( 2a - 2f ) of the battery ( 1 ) are charged successively with a higher voltage than other single cells ( 2a - 2f ). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die höhere Spannung derart bemessen ist, dass die Gasungsspannung einer Einzelzelle (2a bis 2f) überschritten wird.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the higher voltage is dimensioned such that the gassing voltage of a single cell ( 2a to 2f ) is exceeded. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Ladespannung zwischen 0,1 und 0,5V höher ist als die normale Ladespannung.Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the high charging voltage between 0.1 and 0.5V is higher as the normal charging voltage. Vorrichtung zum Schutz einer Batterie (1) vor Tiefentladung, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, wobei die Batterie (1) mehrere Einzelzellen (2a-2f) aufweist, die mit der Überwachungsvorrichtung (5) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Einzelzellen (2a-2f) abfallende Spannung gemessen und das Unterschreiten eines vorgegebenen Entladeschlußkriteriums an den Einzelzellen (2a-2f) individuell überwacht wird. Device for protecting a battery ( 1 ) in front Deep discharge, in particular a vehicle battery, wherein the battery ( 1 ) several single cells ( 2a - 2f ) associated with the monitoring device ( 5 ) are electrically connected, characterized in that the at the individual cells ( 2a - 2f ) falling voltage and falls below a predetermined Entladeschlußkriteriums at the individual cells ( 2a - 2f ) is monitored individually. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des Entladeschlußkriteriums leistungserhöhende und/oder verbrauchsmindernde Maßnahmen eingeleitet werden.Device according to claim 5, characterized in that that falls below the Entladeschlußkriterium power increasing and / or consumption-reducing measures be initiated. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwiderstände der Einzelzellen (2a bis 2f) gemessen werden.Device according to claim 5 or 6, characterized in that the internal resistances of the individual cells ( 2a to 2f ) are measured.
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