DE19504629A1 - Charging system for charging multi=cell storage batteries - Google Patents

Charging system for charging multi=cell storage batteries

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Abstract

The electronic switch element (3) has two operating conditions, namely either a so highly resistive condition, that a charge of the electronic switch element is practically insignificant, or so lowly resistive, that it can lead to a current, suitable for charging the individual cells (1) or groups (2) or cells. All the switching elements (3) are galvanically connected, essentially decouplable with a bus system, and over which the condition informations of the individual cells or groups of cells can be transmitted to a central battery management system, and across which the switch elements are controllable, for altering their operating condition.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ladung mehrzelliger Akkumulatoren­ batterien, bei dem der Ladezustand der Einzelzellen oder von Gruppen von Zellen im Batterie­ verband überwacht und vergleichmäßigt wird.The invention relates to a device for charging multi-cell batteries batteries, in which the state of charge of individual cells or groups of cells in the battery is monitored and leveled.

Schaltungsanordnungen zur laufenden Überprüfung mehrzelliger Batterien sind in vielen Aus­ gestaltungen bekannt. Beispielsweise ist der DE-PS 37 02 591 eine solche Anordnung zu ent­ nehmen, bei der an jede Zelle oder an Gruppen von Zellen eine Meßschaltung angeschlossen ist, die die verschiedenen Zustandsparameter der Zelle oder Zellengruppe erfaßt und über eine gemeinsame Meßleitung sequentiell an eine Auswerteschaltung übergibt. Die einzelnen Meßschaltungen sind von der Meßleitung dabei galvanisch entkoppelt.Circuit arrangements for the ongoing checking of multi-cell batteries are out of many known designs. For example, DE-PS 37 02 591 such an arrangement is ent take a measuring circuit connected to each cell or to groups of cells which detects the various state parameters of the cell or cell group and via transfers a common measuring line sequentially to an evaluation circuit. The single ones Measuring circuits are galvanically decoupled from the measuring line.

Bei der Ladung und Entladung mehrzelliger Batterien treten Unterschiede in den Zellenspan­ nungen der einzelnen Zellen auf, die auf unvermeidbare Fertigungstoleranzen und/oder Be­ triebstemperaturen der Zellen zurückzuführen sind. In einem größeren Batterieverband kann es aufgrund dieser Ungleichmäßigkeiten im Laufe der Zeit zu einem stark unterschiedlichen Ladezustand einzelner Zellen kommen, was zu Unzuverlässigkeit der gesamten Batterie füh­ ren kann.When charging and discharging multi-cell batteries, there are differences in the cell span of the individual cells based on unavoidable manufacturing tolerances and / or loading operating temperatures of the cells are attributable. Can in a larger battery pack it due to these unevenness over time to a very different Individual cells are charged, which leads to unreliability of the entire battery can.

Es sind daher auch schon Anordnungen vorgeschlagen worden, welche eine Vergleichmäßi­ gung des Ladezustandes von Einzelzellen oder von kleinen Gruppen von Einzelzellen im Batterieverband ermöglichen sollen. Beispielsweise ist der DE-PS 41 32 299 eine Einrichtung zu entnehmen, bei der über Sondenleitungen, die während des Entladevorganges zur Über­ wachung des Zellenverhaltens dienen, im Anschluß an die eigentliche Aufladung der gesam­ ten Batterie gezielt einzelne Zellen oder Zellgruppen eine zusätzliche Ladung erfahren kön­ nen. Diese Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß es spezielle Sondenleitungen zu den Einzelzellen erfordert. Damit ist erheblicher Installationsaufwand verbunden und im Fehlerfall wird auch das Betriebspersonal gefährdet. Darüber hinaus muß bei bekannten Ver­ fahren jeder Zelle bzw. Gruppe von Zellen eine eigene Ladeeinrichtung für die Nachladung zugeordnet werden. Wenn als Alternative die einzige Ladeeinrichtung sequentiell auf die je­ weils betroffenen Zellen aufgeschaltet wird, führt dies zu einer erheblichen Verlängerung der Gesamtladedauer der Batterie.Arrangements have therefore also been proposed which make comparisons of the state of charge of single cells or of small groups of single cells in the Battery pack should enable. For example, DE-PS 41 32 299 is a device can be seen in the over probe lines, which during the unloading process to over serve to monitor cell behavior following the actual charging of the total individual battery or cell groups can experience an additional charge nen. However, this circuit arrangement has the disadvantage that it has special probe lines to the single cells required. This involves considerable installation effort and Operating errors are also endangered in the event of a fault. In addition, known Ver each cell or group of cells has its own charging device for reloading be assigned. If, as an alternative, the only charging device sequentially to each because affected cells are switched on, this leads to a considerable extension of the Total battery charging time.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch welches einerseits eine ein­ wandfreie Überwachung der Einzelzellen oder Gruppen von Zellen einer Batterie möglich ist und bei dem auch eine Vergleichmäßigung des Ladezustands von Einzelzellen oder Zellen­ gruppen gewährleistet wird, indem einzelne Zellen oder Zellengruppen nachgeladen werden und dabei den Schaltungs- und Verdrahtungsaufwand innerhalb der mehrzelligen Batterie möglichst gering halten.The object of the invention is to provide a method by which on the one hand a Wall-free monitoring of the individual cells or groups of cells in a battery is possible and also an equalization of the state of charge of single cells or cells  groups is guaranteed by reloading individual cells or cell groups and the circuitry and wiring effort within the multi-cell battery keep it as low as possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs angegebenen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved in the method specified in the introduction by the characterizing part of claim 1 given the features.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird über ein mit jeder Einzelzelle oder mit jeder Gruppe von Zellen verbun­ denes Schaltglied im Verlauf des Betriebs der Batterie eine Zustandsinformation der Einzelzel­ len oder Zellengruppen an ein zentrales Batteriemanagementsystem übermittelt. Die Über­ mittlung erfolgt vorteilhafterweise über eine Ringleitung, mit der die einzelnen Schaltglieder über Kopplungslieder verbunden sind. Beispielsweise kann die Zustandsinformation auf op­ tischem Wege in die Ringleitung eingespeist werden. Diese Ringleitung bzw. das so geschaf­ fene Bussystem, an das alle Einzelzellen bzw. Zellengruppen angeschlossen sind, ist mit einer Zentraleinheit, die aus Ladegerät und Batteriemanagementsystem besteht, verbunden.According to the invention, one is connected to each individual cell or to each group of cells denes switching element in the course of operation of the battery status information of the individual len or cell groups to a central battery management system. The About averaging is advantageously carried out via a ring line with which the individual switching elements are connected via coupling links. For example, the status information on op be fed into the loop. This ring line or that so done Open bus system to which all individual cells or cell groups are connected is with a Central unit, which consists of a charger and battery management system.

Das einzelne Schaltglied verbindet die Endpole der jeweiligen Einzelzelle bzw. einer Gruppe von Einzelzellen. Dieses elektronische Schaltglied besitzt nur zwei mögliche Betriebszustände, nämlich einen ersten Betriebszustand, in dem es sehr hochohmig ist, so daß ein Stromfluß über das Schaltglied praktisch nicht stattfindet und eine Entladung der angeschlossenen Einzelzelle oder Zellengruppe praktisch vernachlässigbar ist, und einen zweiten Betriebszustand, in dem das Schaltglied so niederohmig ist, daß ein durch den Zellenverband fließender Ladestrom im wesentlichen an der jeweiligen Zellengruppe bzw. Zelle vorbeifließt.The individual switching element connects the end poles of the respective individual cell or a group of single cells. This electronic switching element has only two possible operating states, namely a first operating state in which it is very high impedance, so that a current flow practically does not take place via the switching element and discharge of the connected Single cell or group of cells is practically negligible, and a second Operating state in which the switching element is so low that a through the cell group flowing charging current essentially flows past the respective cell group or cell.

Dieses elektronische Schaltteil kann erfindungsgemäß über das Bussystem gezielt für jede einzelne Zelle bzw. Zellengruppe angesprochen und zwischen den beiden Betriebszuständen umgeschaltet werden. Es ist daher möglich, nach Abschluß der eigentlichen Ladung der ge­ samten Batterie einen kleinen Ladestrom für eine gewisse Zeit weiterfließen zu lassen. Nach vom Batteriemanagementsystem festgelegten Kriterien werden dann die Schaltglieder bei den Zellen oder Zellgruppen so geschaltet, daß einzelne Zellen oder Zellengruppen eine ihren in­ dividuellen Bedürfnissen entsprechende Nachladung erfahren können.According to the invention, this electronic switching part can be targeted for everyone via the bus system single cell or cell group addressed and between the two operating states can be switched. It is therefore possible, after completing the actual charge of the ge Allow the battery to continue to flow a small charge current for a certain time. To The criteria defined by the battery management system are then the switching elements in the Cells or cell groups switched so that individual cells or cell groups have their own reloading according to individual needs.

Anhand der Figuren ist im folgenden der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. The subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the figures.  

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 2 den grundsätzlichen Verlauf einer möglichen Strom/Spannungskennlinie eines Schaltglieds gemäß der Erfindung und Fig. 3 einen möglichen Schaltungsaufbau dieses Schaltglieds. Fig. 1 shows schematically an arrangement according to the invention, Fig. 2 shows the basic course of a possible current / voltage characteristic of a switching element according to the invention and Fig. 3 shows a possible circuit structure of this switching element.

Die Einzelzellen 1 der mehrzelligen Batterie sind in Gruppen von je 3 Zellen zu einer Zellen­ gruppe 2 zusammengeschaltet. Jede Zellengruppe 2 ist mit einem Schaltglied 3 verbunden. Die Schaltglieder 3 sind über Kopplungsglieder 4 galvanisch möglichst weitgehend entkoppelt mit dem Bussystem 5 verbunden. Dieses Bussystem steht wiederum mit einer nicht dargestell­ ten zentralen Auswertungs- und Überwachungseinheit bzw. mit einem Batteriemanagement­ system in Verbindung.The individual cells 1 of the multi-cell battery are connected together in groups of 3 cells to form a cell group 2 . Each cell group 2 is connected to a switching element 3 . The switching elements 3 are electrically decoupled as far as possible from the bus system 5 via coupling elements 4 . This bus system is in turn connected to a central evaluation and monitoring unit (not shown) or to a battery management system.

Entsprechend den vom Batteriemanagement während der Aufladung festgelegten Kriterien werden einzelne der Schaltglieder 3 angesteuert und bei den Zellen, die keine Nachladung erfahren wollen, in ihren niederohmigen Betriebszustand versetzt, während bei den übrigen Zellen, die einer Nachladung bedürfen, die elektronischen Schaltglieder in den hochohmigen Betriebszustand geschaltet werden. Somit werden gezielt einzelne Zellen des Batterieverbandes bzw. einzelne Zellengruppen nachgeladen, ohne daß eine galvanische Verbindung zu den Einzelzellen besteht und ohne daß für die Einzelzellen oder Zellengruppen eine individuelle Ladeschaltung vorgesehen werden müßte. Darüber hinaus werden sämtliche Zellen, die nachgeladen werden müssen, gleichzeitig nachgeladen, so daß keine unnötige Verlängerung der Gesamtladedauer der Batterie durch sequentielles Nachladen einzelner Zellen notwendig wird.According to the criteria defined by the battery management during charging, some of the switching elements 3 are actuated and put into their low-resistance operating state for the cells that do not want to be recharged, while the electronic switching elements for the other cells that need to be recharged into the high-resistance operating state be switched. Individual cells of the battery pack or individual cell groups are thus specifically recharged without a galvanic connection to the individual cells and without an individual charging circuit having to be provided for the individual cells or cell groups. In addition, all cells that need to be recharged are recharged at the same time, so that no unnecessary extension of the total charging time of the battery is necessary by sequentially recharging individual cells.

Die elektronische Schalteinheit sollte im hochohmigen Betriebszustand einen Widerstandswert von mindestens 1000 Ohm pro Volt und pro Ah Nennkapazität der Batterie, vorzugsweise ei­ nen Widerstandswert von mehr als 10 000 Ohm/Volt/Ah und insbesondere Widerstandswerte besitzen, die größer sind als 100 000 Ohm/Volt/Ah. Dieser Mindestwiderstandswert soll auch für Ströme in Entladerichtung erreicht werden, wenn der elektronische Schalter seinen niederohmigen Betriebszustand einnimmt, wobei sich die Spannungsangabe auf die der Schalteinheit jeweils zugeordnete Zelle bzw. Gruppe von Zellen bezieht. Im niederohmigen Betriebszustand sollte das Schaltglied einen Widerstandswert besitzen, der geringer ist als 1 Ohm/Volt/Ah Kapazität der Batterie.The electronic switching unit should have a resistance value in the high-resistance operating state of at least 1000 ohms per volt and per Ah nominal capacity of the battery, preferably egg resistance value of more than 10,000 Ohm / Volt / Ah and especially resistance values own that are greater than 100,000 Ohm / Volt / Ah. This minimum resistance value should also for currents in the discharge direction can be achieved if the electronic switch is its takes on low-impedance operating state, the voltage specification relating to that of the Switching unit each assigned cell or group of cells. In low impedance Operating state, the switching element should have a resistance value that is less than 1 Ohm / Volt / Ah capacity of the battery.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt das elektronische Schaltglied eine nichtlineare Kennlinie in Überladerichtung, wenn sie in den niederohmigen Zustand geschaltet ist. Diese Strom/Spannungskennlinie (I, U) ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Kennlinie ist so beschaffen, daß der Widerstandswert nur dann niedrig ist, wenn die anliegende Spannung größer ist als die Ruhespannung Uo der zugeordneten Zelle oder Zellengruppe. Eine einfache Ausführungsform einer entsprechenden Schaltung ist Fig. 3 zu entnehmen, gemäß der an die Zelle oder Zellengruppe 1 eine Reihenschaltung aus Widerstand R, Zenerdiode Z und Diode D angeschlossen ist.In an advantageous embodiment, the electronic switching element has a non-linear characteristic in the overload direction when it is switched to the low-resistance state. This current / voltage characteristic (I, U) is shown schematically in FIG. 2. The characteristic curve is such that the resistance value is only low if the applied voltage is greater than the rest voltage U o of the assigned cell or cell group. A simple embodiment of a corresponding circuit can be seen in FIG. 3, according to which a series circuit comprising resistor R, Zener diode Z and diode D is connected to cell or cell group 1 .

Der einstellbare Nachladestrom sollte zwischen dem 1stündigen und dem 500stündigen Strom der Batterie liegen, vorzugsweise zwischen dem 10- und 100stündigen Strom, insbesondere aber zwischen dem 20stündigen und 50stündigen Strom, bezogen auf die Nennkapazität der Batterie.The adjustable recharge current should be between the 1 hour and the 500 hour current the battery, preferably between the 10- and 100-hour current, in particular but between the 20 hour and 50 hour stream, based on the nominal capacity of the Battery.

Vorteilhaft ist es, in jedem Schaltglied ein Bauteil vorzusehen, welches einen Stromfluß in Entladerichtung sicher ausschließt. Dabei handelt es sich im einfachsten Fall um eine Diode oder ein vergleichbares Bauelement. Das Bussystem ist galvanisch getrennt, z. B. optisch ge­ koppelt mit den elektronischen Schalteinheiten auf den Einzelzellen oder Zellengruppen ver­ bunden. Es ist aber auch möglich, auf eine strenge galvanische Trennung zu verzichten und das Bussystem sehr hochohmig galvanisch an die Zellen bzw. Zellengruppen anzukoppeln. Dies kann beispielsweise durch hochohmige Widerstände direkt an den Zellen erfolgen oder durch Widerstandsleitungen. Es ist dann technisch nicht möglich, nennenswerte Ströme über diese Leitungen zu führen, um wie bei der Schaltung des deutschen Patents 41 32 229, die Einzelzellen oder Batteriegruppen über diese Leitungen nachzuladen. Derartige hochohmige Leitungen sind aber für die Übermittlung von Informationen von den Einzelzellen oder Zellen­ gruppen zum Batteriemanagement hin ebenso geeignet, wie ein galvanisch abgetrenntes Bussystem, und sie können auch für die Steuerung der elektronischen Schaltglieder verwen­ det werden. Das System behält dabei aber den Vorteil bei, daß keine individuelle Ladeschal­ tung für die Einzelzellen oder Zellengruppen benötigt wird, und daß durch Kurzschlüsse dieser Leitungen keine zusätzlichen Betriebsstörungen hervorgerufen werden können.It is advantageous to provide a component in each switching element which has a current flow in Discharge direction excludes safely. In the simplest case, this is a diode or a comparable component. The bus system is electrically isolated, e.g. B. optically ge couples with the electronic switching units on the individual cells or cell groups bound. However, it is also possible to dispense with strict galvanic isolation and to connect the bus system galvanically to the cells or cell groups with very high resistance. This can be done, for example, by high-resistance resistors directly on the cells or through resistance lines. It is then technically not possible to transfer significant currents to conduct these lines in order, as in the circuit of the German patent 41 32 229 which Recharge single cells or battery groups via these lines. Such high impedance However, lines are for the transmission of information from the individual cells or cells groups for battery management are just as suitable as a galvanically isolated one Bus system, and they can also be used to control the electronic switching elements be det. The system retains the advantage that there is no individual charging cradle tion for the individual cells or cell groups is required, and that by short-circuiting them Cables no additional malfunctions can be caused.

Eine erfindungsgemäße Batterie mit den zugehörigen Schaltgliedern und Überwachungsschal­ tung kann in einer stationären Anlage angeordnet sein, sie kann aber auch in einem Elektrostraßenfahrzeug oder einem sonstigen elektrischen Gerät sinnvoll Verwendung finden.A battery according to the invention with the associated switching elements and monitoring scarf device can be arranged in a stationary system, but it can also be arranged in one Electric road vehicle or other electrical device can be used sensibly.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Ladung mehrzelliger Akkumulatorenbatterien, bei dem der Ladezustand der Einzelzellen oder von Gruppen von Zellen im Batterieverband überwacht und ver­ gleichmäßigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder Einzelzelle oder Zellengruppe ein elektronisches Schaltglied verbunden ist, welches zwei Betriebszustände annehmen kann, nämlich entweder so hochohmig, daß eine Entladung der angeschlossenen Einzel­ zelle oder Zellengruppe durch das elektronische Schaltglied praktisch vernachlässigbar ist, oder so niederohmig, daß es einen zur Ladung von Zellen oder Zellengruppen ge­ eigneten Strom führen kann, und daß alle Schaltglieder galvanisch im wesentlichen ent­ koppelt mit einem Bussystem verbunden sind, über das Zustandsinformationen der Einzelzellen oder Zellengruppen an ein zentrales Batteriemanagementsystem übermit­ telbar sind und über welches die Schaltglieder zur Änderung ihres Betriebszustandes ansteuerbar sind.1. Device for charging multi-cell accumulator batteries, in which the state of charge of the individual cells or groups of cells in the battery pack is monitored and uniformized, characterized in that an electronic switching element is connected to each individual cell or cell group, which can assume two operating states, namely either so high-resistance that a discharge of the connected single cell or group of cells by the electronic switching element is practically negligible, or so low-resistance that it can lead to a current suitable for charging cells or groups of cells, and that all switching elements are galvanically decoupled essentially with one Bus system are connected, via which the status information of the individual cells or cell groups can be transmitted to a central battery management system and via which the switching elements can be controlled to change their operating state. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Schalt­ glied im niederohmigen Zustand in Laderichtung einen Widerstandswert von weniger als 1 Ohm/Volt/Ah Nennkapazität der Batterie besitzt und dabei Ströme in Entladerichtung sperrt und, daß sie im hochohmigen Betriebszustand einen Widerstandswert von mehr als 10 000 Ohm/Volt/Ah, vorzugsweise von mehr als 100 000 Ohm/Volt/Ah besitzt.2. Device according to claim 1, characterized in that the electronic switching in the low-resistance state in the charging direction has a resistance value of less than The battery has a nominal capacity of 1 Ohm / Volt / Ah and currents in the discharge direction locks and that they have a resistance value of more in the high-resistance operating state than 10,000 ohms / volt / ah, preferably more than 100,000 ohms / volt / ah. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachlade­ strom für Einzelzellen oder Zellengruppen auf Werte zwischen dem 10stündigen und 100stündigen Strom, insbesondere zwischen dem 20stündigen und 50stündigen Strom, eingestellt ist.3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that the reload current for single cells or cell groups to values between 10 hours and 100-hour electricity, especially between the 20-hour and 50-hour electricity, is set. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektroni­ sche Schaltglied ein Bauteil enthält, welches einen Stromfluß in Entladerichtung sicher ausschließt. 4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that the electronics cal switching element contains a component that ensures a current flow in the discharge direction excludes.   5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bussystem über Kopplungsglieder zur Potentialtrennung mit den elektronischen Schaltgliedern der Einzelzellen oder Gruppen von Einzelzellen verbunden ist.5. Device according to claims 1 to 4, characterized in that the bus system via coupling elements for electrical isolation with the electronic switching elements of the Single cells or groups of single cells is connected. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Schaltglied im niederohmigen Zustand eine nichtlineare Strom/Spannungskennlinie besitzt.6. The device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the electronic switching element is a non-linear in the low-resistance state Has current / voltage characteristic. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Schaltglieds in niederohmigem Zustand nur dann nieder­ ohmig ist, wenn am Schaltglied eine Spannung anliegt, die größer ist als die Ruhespan­ nung der angeschlossenen Zelle oder Zellengruppe.7. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that that the resistance value of the switching element is only low in the low-resistance state is ohmic if a voltage is present at the switching element that is greater than the quiescent voltage the connected cell or cell group.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19753210A1 (en) * 1997-12-01 1999-07-01 Gruendl & Hoffmann Rechargeable electrical power source
DE19810746B4 (en) * 1998-03-12 2008-10-16 Varta Automotive Systems Gmbh Circuit board with a circuit for monitoring a multi-cell accumulator battery

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