DE19708842A1

DE19708842A1 - Charge equalising circuit for series-connected elements

Info

Publication number: DE19708842A1
Application number: DE1997108842
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Ing Kahlen; Steffen Dipl Ing Mueller; Gian Paolo Barra
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1997-03-05
Publication date: 1998-09-10

Abstract

The circuit equalises charges of series-connected electric or electrochemical cells etc., with a voltage divider coupled in parallel to the series-connected cells such that the number of the divider resistors is the same as that of the cells. A switch is incorporated behind each resistor for the cells. The voltage divider is activated by another switch. Pref. The divider resistors are relays whose contacts connect each the following cell. Alternatively, the divider is formed by ohmic resistors. Self-blocking. FETs, energised by the divider voltage are incorporated in the leads to the cells.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung, die einen Ladeaus gleich in Reihe geschalteter elektrischer Elemente derart gestattet, daß jedes Element, wie Batteriezelle oder Kondensatorzelle, auf den gleichen Spannungswert gebracht wird.The invention relates to a circuit arrangement, the charging electrical elements connected in series in such a way that every element, like battery cell or capacitor cell, on the same Voltage value is brought.

In Reihe geschaltete Elemente, die elektrische Ladungen speichern, wie Kondensatoren, Superkondensatoren oder elektrochemische Zellen, haben Fertigungstoleranzen, Betriebstoleranzen und Alterungstoleranzen. Damit variiert die Größe der speichernden Einheit. Bei in Reihe geschalteten Kon densatoren z. B. nimmt zwar jeder Kondensator C_i die gleiche Ladung auf (Q = I.t), infolge der jeweiligen Toleranz stellt sich an jedem Kondensator C_i eine andere Spannung U_i ein (U_i = Q/C_i). Bei Reihenschaltungen von vielen Elementen niedriger Betriebsspannung ist es wichtig, daß an jedem Element ein höchstzulässiger Spannungswert nicht überschritten wird, aber im Betrieb sich je Element ein gleicher Spannungswert einstellt. Auf diese Weise kann ohne besondere Spannungsreserve die höchstmögliche Energie gespeichert werden (W_c = ½ C.U²). Bei teilentladenden Zellen kann die Spannung dann unterschiedlich sein. Ein derartiger Ladungsausgleich ist insbesondere bei in Reihe geschalteten Superkondensatoren notwendig.Series-connected elements that store electrical charges, such as capacitors, supercapacitors, or electrochemical cells, have manufacturing tolerances, operating tolerances, and aging tolerances. The size of the storage unit thus varies. When in series capacitors z. B. each capacitor C _i takes on the same charge (Q = It), due to the respective tolerance, a different voltage U _i arises at each capacitor C _i (U _i = Q / C _i ). In the case of series connections of many elements with a low operating voltage, it is important that a maximum permissible voltage value is not exceeded on each element, but that the same voltage value is set for each element during operation. In this way, the highest possible energy can be stored without a special voltage reserve (W _c = ½ CU ² ). The voltage can then be different for partially discharging cells. Such a charge equalization is particularly necessary in the case of supercapacitors connected in series.

Es sind bereits Spannungsteilerschaltungen mit ohmschen Widerständen bekannt, die den einzelnen Zellen parallel geschaltet sind und damit einen Ladungsausgleich erzwingen. Mit dem Spannungsteiler wird jedoch jeder elektrischen oder elektrochemischen Zelle ein Widerstand parallel geschal tet, der die Zelle entladet.They are already voltage divider circuits with ohmic resistors known, which are connected in parallel to the individual cells and thus one Force charge balancing. With the voltage divider, however, everyone electrical or electrochemical cell, a resistor is connected in parallel that discharges the cell.

Ziel der Erfindung ist es, eine gleichmäßige Spannungsaufteilung im gela denen Zustand von in Reihe geschalteten Kondensatoren oder Batteriezellen zu erzwingen und die Einrichtung mit einem Steuerbefehl zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dazu wird erfindungsgemäß der Spannungsteiler mittels steuerbarer Elemente aufgebaut. Dabei können diese Elemente selbst den Spannungsteiler bilden oder ein ohmscher Spannungsteiler ist ein Teil der Selbststeuerung. Der Ausgleichsstrom für die Zellen kann durch zusätzliche Widerstände begrenzt werden.The aim of the invention is to achieve a uniform voltage distribution in the gela the state of capacitors or battery cells connected in series to force and activate the device with a control command or to deactivate. According to the invention, the voltage divider is used for this purpose controllable elements built. These elements can even Form voltage divider or an ohmic voltage divider is part of the Self-control. The compensating current for the cells can be increased Resistances are limited.

Ausführungsbeispiele werden durch die folgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:Exemplary embodiments are described by the following figures. It demonstrate:

Fig. 1 einen Spannungsteiler, der mit Hilfe von Relaisspulen aufge baut ist und der über Relaiskontakte und Widerstände mit den Zellen verbunden ist und bei dem ein Schalter 2a den Ladungs ausgleich aktiviert, Fig. 1 a voltage divider, which is set by means of relay coils builds and which is connected via relay contacts and resistors with the cells and in which a balancing switch 2 activates the a charge,

Fig. 2 eine zweite Anordnung mit einem Spannungsteiler wie in Fig. 1 und zwei Schaltern 2a und 2b, die den Ladungsausgleich aktivieren, Fig. 2 shows a second arrangement with a voltage divider as shown in Fig. 1 and two switches 2 a and 2 b, which activate the charge equalization,

Fig. 3 einen ohmschen Spannungsteiler, der über Feldeffekttransisto ren mit den Zellen verbunden ist. Fig. 3 shows an ohmic voltage divider, which is connected to the cells via field effect transistors.

In den Figuren werden gleiche Teile mit gleichen Ziffern beschrieben. In Fig. 1 werden die in Reihe geschalteten Zellen 1a bis 1n vom Strom +I geladen oder mit einem Strom -I entladen. Der Ladeausgleich wird über den Schalter 2a gesteuert. Dieser legt die in Reihe geschalteten Relaisspulen 3a bis 3n an die Gesamtspannung der Zellen. Die Ansteuerung erfolgt erst, wenn die Zellen nahezu auf die höchste Spannung aufgeladen sind und die Relaisschaltspannung erreicht ist. Jede Relaisspule 3a bis 3n schaltet einen Kontakt 4a bis 4n. Dabei schaltet Spule 3a den Kontakt 4a, Spule 3b den Kontakt 4b usw. Die Spulen sind jeweils mit Freilaufdioden 5a bis 5n be schaltet. Die Widerstände 6a bis 6m in den Zweigen können den Zellen strom begrenzen. Nach Öffnen des Schalters 2a wird Relais 3a nicht mehr angesteuert. Der Kontakt 4a öffnet und schaltet Relais 3b ab. Im weiteren Verlauf schalten alle Relais ab. Eine Verzögerung von jeweils einigen ms je Relais summiert sich bei 100 Zellen zu einigen 100 ms.In the figures, the same parts are described with the same numbers. In Fig. 1, the cells 1 a to 1 n connected in series are charged by the current + I or discharged with a current -I. The charge compensation is controlled via switch 2 a. This applies the series-connected relay coils 3 a to 3 n to the total voltage of the cells. The control takes place only when the cells are almost charged to the highest voltage and the relay switching voltage is reached. Each relay coil 3 a to 3 n switches a contact 4 a to 4 n. Here coil 3 a switches the contact 4 a, coil 3 b the contact 4 b, etc. The coils are each connected with freewheeling diodes 5 a to 5 n. The resistors 6 a to 6 m in the branches can limit the cell current. After opening switch 2 a, relay 3 a is no longer activated. Contact 4 a opens and switches relay 3 b off. In the further course, all relays switch off. A delay of a few ms for each relay adds up to a few 100 ms for 100 cells.

In Fig. 2 sind zwei Schalter 2a und 2b zur Aktivierung des Spannungs teilers vorgesehen. Falls der Zeitunterschied von einigen 100 ms durch damit verbundene Teilentladungen der zuletzt geschalteten Zellen stört, kann ein Ausgleich dadurch geschaffen werden, daß Schalter 2b zuerst geöffnet wird. In diesem Falle schaltet zuerst das Relais 3n aus.In Fig. 2, two switches 2 a and 2 b are provided for activating the voltage divider. If the time difference of a few 100 ms interferes with the associated partial discharges of the last switched cells, compensation can be achieved by opening switch 2 b first. In this case, relay 3 n switches off first.

In Fig. 3 legt der Schalter 2a zum Ladeausgleich einen Spannungsteiler bestehend aus gleichen Widerständen 7a bis 7n den Zellen 1a bis 1n par allel. N-Kanal-Feldeffekttransistoren (selbstsperrend) 8a bis 8m verbinden je weils Spannungsteiler und Zellen, wobei die Source-Elektrode am Span nungsteiler liegt. Der Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors 8a ist zwi schen Schalter 2a und Spannungsteilerwiderstand 7a angeschlossen, der Gate-Anschluß für den Feldeffekttransistor 8b ist am Widerstand 7b ange schlossen, usw. Wenn der Schalter 2a geöffnet wird, verliert der Feldeffekt transistor seine Ansteuerung und schaltet ab. Anschließend verliert der nächste Feldeffekttransistor 8b seine Ansteuerung usw. Der Abschaltvor gang der gesamten Kette erfolgt in weniger als 1 ms.In Fig. 3, the switch 2 a for charging compensation a voltage divider consisting of the same resistors 7 a to 7 n the cells 1 a to 1 n par allel. N-channel field effect transistors (normally-off) 8 a to 8 m each connect voltage dividers and cells, with the source electrode lying on the voltage divider. The gate connection of the field effect transistor 8 a is between rule's switch 2 a and voltage divider resistor 7 a connected, the gate connection for the field effect transistor 8 b is connected to the resistor 7 b, etc. If the switch 2 a is opened, the field effect loses transistor turns on and turns off. Then the next field effect transistor 8 b loses its control, etc. The entire chain is switched off in less than 1 ms.

Da an den Feldeffekttransistoren nur eine geringe Spannung liegt, können diese auch im dritten Quadranten, d. h. mit negativer Drain-Source-Span nung und mit negativem Drainstrom betrieben werden.Since there is only a low voltage at the field effect transistors, can these also in the third quadrant, d. H. with negative drain-source span voltage and operated with a negative drain current.

Claims

1. Circuit arrangement for charge compensation in series-connected electrical or electrochemical cells, characterized in that a voltage divider of the series-connected cells is connected so par allel that the number of voltage divider resistors is equal to the number of cells and after each resistor a switching element to the cells goes and that the voltage divider is activated by a switch.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the voltage divider resistors are relay coils, and that the Re relay contacts each connect the following cell.

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the voltage divider consists of ohmic resistors and that in the connections to the cells self-blocking field effect transistors ren are switched by the voltage of the voltage divider can be controlled.