DE19526996A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verhindern einer Batterietiefentladung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batterie­ energie-Regelung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern einer Batterietiefentla­ dung in einem Elektrofahrzeug.

Herkömmliche Blei-Säure-Batterien werden normalerweise unter Bedingungen mit kleinem Strom und ohne Tiefentla­ dung eingesetzt, so daß die Lebensdauer der Batterien durch die Art ihrer Entladung nicht nachteilig beeinflußt wird. Da jedoch für Batterien, die in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, der Betriebsbereich sehr groß ist und ein großer Strom sowie eine tiefe Entladung erforderlich sind, ist die Lebensdauer der Batterien vergleichsweise kurz. Somit kann für diese Batterien nicht die herkömmli­ che Art der Energieregelung verwendet werden.

Herkömmliche Energieregelungsverfahren setzen keine Grenzen am Entladeschlußpunkt, bei dem die Batterieentla­ dung abbricht. Normalerweise wird die Batterie solange entladen, bis die Batteriespannung auf einen sehr niedri­ gen Pegel gefallen ist, so daß das Stromversorgungssystem seine Funktion einstellt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Batteriespannung üblicherweise sehr viel niedriger als die Entladeschlußspannung, was eine nachteilige Auswir­ kung auf die Lebensdauer der Batterie hat. Deshalb wird ein Energieregelungsverfahren benötigt, das die Batterie­ entladung stoppt, wenn die Batteriespannung unter eine gewisse Entladeschlußspannung gefallen ist. Ein Verfahren des Standes der Technik ist in der chinesischen Patentan­ meldung Nr. 83,106,498 der Sanyo Electric Corp., Japan, offenbart, die eine Schaltung beschreibt, die Blei-Säure- Batterien vor einer Tiefentladung bewahren kann. Es ist jedoch ein Nachteil dieses Verfahrens des Standes der Technik, daß immer noch ein Sicherheitsproblem besteht, wenn die Schaltung in Elektrofahrzeugen verwendet wird, die auf der Straße fahren, obwohl die Schaltung in einer Laborumgebung für gut befunden worden ist.

Es ist daher die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern einer Batterietiefentladung zu schaffen, die die Batterie vor einer Tiefentladung schützen können, was eine längere Lebensdauer der Batterie ermöglicht.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern einer Batterietiefentladung zu schaffen, die einen plötzlichen Entladeschluß vermeidet, so daß die Betriebssicherheit einer Vorrichtung mit Batterie gewährleistet werden kann.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern einer Tiefentladung einer aus mehreren Zellen bestehenden Batterieeinheit, die die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale besitzen. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:

• (1) Erhalten der proportional verarbeiteten Ausgangs­ spannung jeder Zelle;
• (2) Vergleichen jeder verarbeiteten Spannung mit einer Referenzspannung; und
• (3) Erzeugen eines Sperrsignals, wenn eine der verar­ beiteten Spannungen unterhalb der Referenzspannung liegt, wobei das Vorhandensein des Sperrsignals die Batterieein­ heit dazu veranlaßt, den Laststrom vorübergehend abzu­ schalten und somit den mittleren Ausgangsstrom der Batte­ rieeinheit zu senken.

Das Ergebnis ist ein Betrieb mit höherer Sicherheit für das Fahrzeug, da die Leistung nicht plötzlich abgeschal­ tet wird, wodurch sich eine längere Lebensdauer der Batterie ergibt.

Die Vorrichtung umfaßt eine Batteriespannungs-Verarbei­ tungsschaltung zum Erzeugen der proportional verarbeite­ ten Ausgangsspannung jeder Zelle der Einheit. Es wird eine Komparatorschaltung verwendet, um jede verarbeitete Spannung mit einer Referenzspannung zu vergleichen, wobei von der Batteriespannungs-Verarbeitungsschaltung ein Sperrsignal erzeugt wird, wenn irgendeine der verarbeite­ ten Spannungen unterhalb der Referenzspannung liegt. Das Vorhandensein des Sperrsignals veranlaßt die Batterieein­ heit dazu, den Laststrom vorübergehend abzuschalten, wodurch der mittlere Ausgangsstrom der Batterieeinheit gesenkt wird.

Die Vorrichtung zum Verhindern einer Batterietiefentla­ dung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen. Erstens kann der große Entladestrom in der Endphase des Batteriebetriebs begrenzt werden, so daß eine Tiefentladung vermieden wird, die die Lebensdauer der Batterie verringern kann. Zweitens erlaubt sie eine effektive Energieregelung, bevor die Batterieenergie aufgebraucht ist, so daß der Fahrer des Fahrzeugs das Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit noch zur nächsten Ladestation fahren kann. Drittens unterliegt bei der Energieregelung der vorliegenden Erfindung die Leistungs­ zufuhr keiner plötzlichen Abschaltung, so daß das Fahr­ zeug mit größerer Sicherheit betrieben werden kann. Viertens ist kein kompliziertes Instrument wie z. B. eine Batteriekapazitätsanzeige erforderlich, so daß die Her­ stellungskosten gesenkt werden. Fünftens kann der nach­ teilige Effekt der Kapazitätsveränderung jeder Zelle aufgrund der Tiefentladung vermieden werden, so daß die Batterieeinheit insgesamt eine längere Lebensdauer errei­ chen kann.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Be­ schreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 einen Graphen, der die Spannungs/Strom-Kennlinie einer in Betrieb befindlichen Batterie zeigt;

Fig. 2 zwei Graphen, die die Spannungs/Zeit-Kennlinie bzw. die Strom/Zeit-Kennlinie mit gemitteltem Laststrom und begrenzter Spannung zeigen;

Fig. 3 einen Graphen, der die Beschleunigungs/Zeit- Kennlinie und die Verzögerungs/Zeit-Kennlinie eines Klasse-B-Motorrades zeigt;

Fig. 4 eine Zeichnung, die die Spannungs/Zeit-Kennlinie und die Strom/Zeit-Kennlinie der gegen Betriebs­ ende verwendeten Batterie zeigt;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zum Verhin­ dern einer Tiefentladung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 6 ein genaues Schaltbild der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, eine Tiefentla­ dung einer Batterie (zu niedrige Batteriespannung) zu verhindern und Sicherheit für das Elektrofahrzeug zu schaffen. Fig. 1 zeigt die Betriebskennlinie der Batte­ rie, wobei die x-Achse den Batterieausgangsstrom (in Ampère) und die y-Achse die Batteriespannung (in Volt) und jede geneigte Gerade die Spannungs/Strom-Kennlinie der Batterie bei gleichem Ladezustand (SOC) darstellen. Da sich während der Einsatzzeit der Batterie der SOC-Wert kontinuierlich verändert, ergibt sich für den aktuali­ sierten Ausdruck der Spannungs/Strom-Kennlinie der Batte­ rie die mit A bezeichnete Zickzack-Kurve. Während der Strom innerhalb des Bereiches I_a - I_b schwankt, wird die Batteriespannung immer niedriger, da der SOC-Wert sinkt und sich aufgrund des Ausgangsstroms verändert. Je höher der Ausgangsstrom ist, desto niedriger wird die Batterie­ spannung. Wenn gewünscht ist, daß die Batteriespannung gegen Ende der Entladung nicht zu niedrig wird, ist es demzufolge die beste Lösung, den Ausgangsstrom der Batte­ rie zu begrenzen, so daß die Batteriespannung auf einen höheren Pegel ansteigt. Durch Experimente ist festge­ stellt worden, daß die Batterie bei kleinem Entladestrom eine größere Kapazität besitzt. Deshalb ergeben sich in der Endphase der Entladung durch Vorsehen einer Begren­ zung des maximalen Ausgangsstroms der Batterie zwei Vorteile: die Batterie wird vor einer Tiefentladung bewahrt und unter einer Bedingung betrieben, die eine hohe Batteriekapazität ergibt.

Die vorliegende Erfindung nützt diese Entladungskennlinie der Batterie aus und verwendet für die Batterie in der Endphase der Entladung ein spannungsbegrenztes Entla­ dungsverfahren. Wie in Fig. 2 gezeigt, in der I_C den von der Batterie gelieferten mittleren Laststrom darstellt, wird die Batteriespannung auf dem Pegel V_L konstant gehalten, nachdem die Betriebsspannung V_C unter die Spannung V_L gefallen ist. Dies kann durch eine Hochfre­ quenzschalttechnik für eine Stromversorgungsvorrichtung erreicht werden. Wenn die Batteriespannung niedriger als die Grenzspannung V_L ist, geht die mit einer Last in Reihe geschaltete Stromversorgungsvorrichtung in den "AUS"-Zustand über, so daß die Batteriespannung aufgrund des fehlenden Ausgangsstromes ansteigt. Wenn die Batte­ riespannung steigt und höher als die Grenzspannung V_L wird, geht die Stromversorgungsvorrichtung wieder in den "EIN<-Zustand über. Auf diese Weise wird der Aus­ gangsstrom der Batterie automatisch begrenzt und die Ausgangsspannung der Batterie fällt nicht unter die Grenzspannung V_L, so daß die Lebensdauer der Batterie erhalten bleibt. Fig. 3 zeigt die Beschleunigungs/Zeit- Kennlinie und die Verzögerungs/Zeit-Kennlinie eines Klasse-B-Motorrades gemäß der Chinese-Nation-Norm (CNS) 3105, D3029. Es wurden eine Simulation und eine Transfor­ mation durchgeführt, bei denen die vorliegende Erfindung in dem Klasse-B-Motorrad der Fig. 3 verwendet wurde. Fig. 4 zeigt die Spannungs/Zeit-Kennlinie und die Strom/Zeit-Kennlinie der verwendeten Batterie im Endpha­ senbetrieb des Motorrades gemäß dem spannungsbegrenzten Entladungsverfahren der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 3 sind auf der x-Achse die Zeit und auf der y- Achse die Geschwindigkeit des Motorrades aufgetragen. Jeder Betriebszyklus des Motorrades besteht aus sieben Phasen: in der Phase S₁ steht das Motorrad; in der Phase S_2-1 wird das Motorrad langsam beschleunigt; in der Phase S_2-2 wird das Motorrad voll beschleunigt; in der Phase S₃ erreicht das Motorrad die Maximalgeschwindigkeit; in der Phase S₄ wird das Motorrad verzögert; in der Phase S₅ fährt das Motorrad mit einer konstanten Geschwindigkeit von 20 km/h; in der Phase S₆ wird das Motorrad erneut verzögert; und schließlich stoppt das Motorrad in der Phase S₇. In Fig. 4 sind für diese Betriebsphasen die entsprechenden Spannungs/Zeit- und Strom/Zeit-Kennlinien der im Motorrad verwendeten Batterie gemäß der vorliegen­ den Erfindung gezeigt. Jeder Betriebszyklus weist im Kennlinienausdruck im wesentlichen die gleiche Form auf. Die Zyklen 1 bis 4 finden im Normalbetrieb statt, während im Zyklus 5 die maximale Stromamplitude den Spannungsbe­ grenzungspunkt der Batterie erreicht. Das herkömmliche Verfahren schaltet in einem solchen Moment die Leistungs­ abgabe der Batterie ab. Da jedoch das Motorrad in diesem Moment voll beschleunigt wird (im Punkt maximaler Last) kann das Motorrad aufgrund dieser für den Motorradfahrer unerwarteten Bedingung einen Unfall auslösen, wenn die Leistung plötzlich abgeschaltet wird. Gemäß der vorlie­ genden Erfindung wird der Ausgangsstrom der Batterie in diesem Moment automatisch begrenzt, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Aus Fig. 4 wird deutlich, daß der maximale Strompe­ gel des nachfolgenden Zyklus niedriger ist als der des vorangehenden, so daß die Batteriespannung nicht unter den Begrenzungspunkt fällt. Das Motorrad wird jedoch in diesem Moment in der Beschleunigungsleistung einge­ schränkt und in Abhängigkeit vom Absinken der Batterieka­ pazität weiter eingeschränkt werden. Die Maximalgeschwin­ digkeit des Motorrades wird offensichtlich gleichmäßig gesenkt, wenn bis zum Zyklus 10 gefahren wird. Ein sol­ ches Absinken der Fahrzeugleistung kann den Motorradfah­ rer daran erinnern, daß die Batterieenergie beinahe aufgebraucht ist. Ferner kann sie dem Motorradfahrer ermöglichen, geeignete Schritte einzuleiten, bevor die Batterieenergie vollständig aufgebraucht ist. Da der Ausgangsstrom begrenzt wird, kann entsprechend der Batte­ riekennlinie die Batteriekapazität gesteigert werden, während die Begrenzung der Leistung des Motorrades den Energieverbrauch senkt. Diese beiden Merkmale erlauben, die Kilometerleistung des Motorrades in der Endphase der Batterieentladung zu vergrößern, so daß der Motorradfah­ rer das Motorrad mit geringerer Leistung noch zur näch­ sten Ladestation fahren kann.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Energieregelung eines Elektrofahrzeuges. In einem Elektrofahrzeug wie z. B. einem Elektromotorrad umfaßt die Batterieeinheit 11 vier 12-Volt-Zellen. Es wird ein Motortreiber 12 verwendet, um einen bürstenlosen Gleichstrommotor 13 zu steuern, der zum Antreiben des Motorrades verwendet wird. Zuerst werden die Spannungen der vier Batteriezellen von einer Batteriespannungs-Verarbeitungseinheit 14 verarbeitet, um sie proportional zu verstärken und zu vergleichen. Eine Komparatorschaltung 15 vergleicht dann die Ausgänge V₁ bis V₄, um festzustellen, ob irgendeine der Batteriespan­ nungen niedriger als ein bestimmter Schwellenwert ist (dieser Schwellenwert sollte nicht niedriger sein als die Entladeschlußspannung der Batterie) . Trifft dies zu, wird ein Sperrsignal an den Treiber 12 ausgegeben, um die Leistungszufuhr zum Motor 13 vorübergehend zu unterbin­ den.

Fig. 6 zeigt das genaue Schaltbild der Batteriespannungs- Verarbeitungseinheit 14 und der Komparatorschaltung 15. Diese werden im folgenden beschrieben.

Bei der Schaltung der Batteriespannungs-Verarbeitungsein­ heit 14 wird die Ausgangsspannung jeder Zelle der Batte­ rieeinheit 11 durch Verstärkungsschaltungen U1 und U4 verarbeitet, um die Spannungspegelsignale V1, V2, V3 und V4 zu erhalten. In der Komparatorschaltung 15, die der Batteriespannungs-Verarbeitungsschaltung 14 nachgeschal­ tet ist, sind vier Komparatoren vorhanden, die jeweils eine der vier Spannungspegelsignale V1, V2, V3 und V4 mit einer Referenzspannung VR vergleichen. Die Referenzspan­ nung VR kann im Bereich von 10,0 - 10,6 Volt eingestellt werden, indem die Widerstandswerte der Widerstände R21 und R22 eingestellt werden. Wenn irgendeines der vier Signale V1, V2, V3 und V4 niedriger als die Referenzspan­ nung VR ist, wechselt der Ausgang des entsprechenden Kom­ parators von U2 vom Hochpegel in den Niedrigpegel. Da die vier Ausgänge der vier Komparatoren in ein UND-Gatter eingegeben werden, bewirkt jedes der vier Signale V1, V2, V3 und V4, falls es niedriger als VR ist, daß der Ausgang des UND-Gatters (bezeichnet mit INHI) zum den Niedrigpe­ gel übergeht, das ein Sperrsignal für den Motortreiber 12 darstellt. Das Sperrsignal veranlaßt den Motortreiber 12 dazu, den Laststrom vorübergehend abzuschalten. Dieser Effekt bewirkt einen niedrigeren mittleren Ausgangsstrom der Batterie, wodurch die Batterie eine Arbeitsspannung halten kann, die einen sicheren Betrieb des Motorrades und auch eine längere Lebensdauer der Batterie ergibt.

Die Vorrichtung und das Verfahren zum Verhindern einer Batterietiefentladung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen. Erstens kann der große Entladestrom in der Endphase des Batteriebetriebes be­ grenzt werden, so daß eine Tiefentladung vermieden wird, die die Lebensdauer der Batterie verringern kann. Zwei­ tens erlaubt sie eine effektive Energieregelung, bevor die Batterieenergie aufgebraucht ist, so daß der Fahrer des Fahrzeuges das Fahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit noch zur nächsten Ladestation fahren kann. Drittens unterliegt bei der Energieregelung der vorliegenden Erfindung die Leistungszufuhr keiner plötzlichen Abschal­ tung, so daß das Fahrzeug mit größerer Sicherheit betrie­ ben werden kann. Viertens ist kein kompliziertes Instru­ ment wie z. B. eine Batteriekapazitätsanzeige erforder­ lich, so daß die Herstellungskosten gesenkt werden. Fünftens kann die ungünstige Auswirkung der Veränderung der Kapazitäten der einzelnen Zellen aufgrund der Tief­ entladung vermieden werden, so daß die Batterieeinheit insgesamt eine längere Lebensdauer erreicht.

Die vorliegende Erfindung ist oben beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden. Es ist jedoch klar, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die offenbarten bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verhindern einer Tiefentladung einer aus mehreren Zellen bestehenden Batterieeinheit (11), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• (1) Erhalten der proportional verarbeiteten Ausgangs­ spannung (V1, V2, V3, V4) jeder Zelle;
• (2) Vergleichen jeder verarbeiteten Spannungen (V1, V2, V3, V4) mit einer Referenzspannung (VR); und
• (3) Erzeugen eines Sperrsignals (INHI), wenn eine der verarbeiteten Spannungen (V1, V2, V3, V4) unterhalb der Referenzspannung (VR) liegt, wobei das Vorhandensein des Sperrsignals (INHI) die Batterieeinheit (11) dazu veranlaßt, die Stromzuführung zur Last abzuschalten und somit den mittleren Ausgangsstrom der Batterieeinheit (11) zu senken.

2. Vorrichtung zum Verhindern einer Tiefentladung einer aus mehreren Zellen bestehenden Batterieeinheit (11), gekennzeichnet durch

• (a) eine Batteriespannungs-Verarbeitungseinheit (14) zum Erzeugen einer proportional verarbeiteten Ausgangs­ spannung (V1, V2, V3, V4) für jede Einheit von Zellen; und
• (b) eine Komparatorschaltung (15) zum Vergleichen jeder verarbeiteten Spannung (V1, V2, V3, V4) mit einer Referenzspannung (VR), wobei die Batteriespannungs-Verar­ beitungsschaltung (14) ein Sperrsignal (INHI) erzeugt, wenn eine der verarbeiteten Spannung (V1, V2, V3, V4) niedriger ist als die Referenzspannung (VR), so daß durch das Vorhandensein des Sperrsignals (INHI) die Batterie­ einheit (11) dazu veranlaßt wird, die Stromzuführung zur Last zu unterbrechen und somit den mittleren Aus­ gangsstrom der Batterieeinheit (11) zu senken.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (VR) nicht nur konstant sein kann, sondern auch von einem Strom abhängen kann, der innerhalb eines Sicherheitsbetriebsbereiches durch die Batterieeinheit (11) bestimmt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Batteriespannungs-Verarbeitungseinheit (14) die Ausgangsspannung aus einer Gruppe mehrerer zu einer Einheit kombinierter Zellen erhalten wird.