DE19751987A1 - Verfahren zur Vergleichmäßigung des Ladezustandes einer Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergleichmäßigung des Ladezustandes einer Akkumulato­ renbatterie.

Werden mehrere elektro-chemische Speicherzellen in einer Akkumulatorenbatterie miteinander verschaltet und gemeinsam einem Lade- und Entladebetrieb unterworfen, so kann sich ihr Lade­ zustand im Verlauf des Betriebes sukzessiv auseinander entwickeln. Ursache hierfür sind z. B. unterschiedliche Raten der Selbstentladung, unterschiedliche Betriebstemperaturen und/oder ein unterschiedlicher Wirkungsgrad der Ladereaktion. Da die Zelle mit der geringsten Kapazität in vielen Fällen die Gesamtkapazität der Akkumulatorenbatterie bestimmt, müssen Maßnahmen er­ griffen werden, die einen gleichmäßigen Ladezustand der Zellen zumindest periodisch wieder her­ stellen.

Aus den Dokumenten DE-C 41 32 229 und DE-A 42 31 732 sind eine Ladevorrichtung und ein Ladeverfahren für eine mehrzellige Batterie bekannt, die eine Vergleichmäßigung des Ladezu­ standes von Einzelzellen oder Gruppen von Zellen in der Batterie ermöglichen sollen. Die Zellen sind dabei zusätzlich über Sondenleitungen mit einer mikrocontroller-gesteuerten Einrichtung zur Analyse des Ladezustandes verbunden und Zellen mit niedriger Klemmenspannung werden wäh­ rend oder nach der Ladung der Gesamtbatterie einzeln oder nacheinander nachgeladen.

Ein weiteres Verfahren, das in vielen Fällen zur Anwendung, kommt ist eine gezielte Überladung. Wenn in den bereits voll geladenen Zellen eine parasitäre Reaktion ablaufen kann, wie die Wasserelektrolyse beim Bleiakkumulator oder ein interner reversibler Vorgang wie der Sauer­ stoffkreislauf im verschlossenen Bleiakkumulator, im Ni/Cd- oder NiMH-Akkumulator, ist dieses Verfahren ohne weitere Einschränkungen anwendbar. Wenn allerdings keine solche parasitären Reaktionen möglich sind oder diese aus bestimmten Gründen vermieden werden sollen, wird die Vergleichmäßigung des Ladezustandes der Zellen einer Akkumulatorenbatterie mit Hilfe einer elektrischen Beschaltung der Zellen vorgenommen, die parallel zu den Zellen geschaltet ist. Eine entsprechende Vorrichtung ist aus dem Dokument DE-A 195 04 629 bekannt. Danach wird der Ladestrom in Abhängigkeit vom Ladezustand der Zellen entweder durch die Zellen geleitet, wobei die parallelgeschaltete Schaltungsanordnung einen sehr hochohmigen Widerstand annimmt oder der Ladestrom wird in Abhängigkeit vom Ladezustand der Zellen an den betreffenden Zellen vor­ beigeleitet, wobei die parallelgeschaltete Schaltungsanordnung einen sehr niederohmigen Wider­ stand besitzt. Hierzu werden z. B. einzelne Zellen, bei denen bereits die Volladung anhand von einzelnen Kriterien erkannt wird, über eine elektronische Beschaltung so überbrückt, daß der durch den Gesamtverband fließende Strom an diesen Zellen ganz oder zum Teil vorbeigeleitet wird. Die Ladung dauert so lange an, bis auch für die letzte Zelle eine Volladung detektiert wird. Diese Vorrichtung beinhaltet jedoch die Problematik, daß die elektrische Leistung in den die Zellen überbrückenden Widerständen oder elektronischen Baueinheiten in Wärmeenergie in der Nähe der Zelle umgesetzt wird. Wenn eine Zelle im Volladezustand die Spannung U_oL hat und der Überladestrom i an ihr vorbei geleitet wird, so wird in dem Widerstand die elektrische Leistung N = U_oL i in Wärme umgewandelt. Auch wenn die Inhomogenität der Ladezustände unter den einzel­ nen Zellen nur 1% beträgt, wird dieser Betrag der in der Zelle gespeicherten Energie in ihrer un­ mittelbaren Umgebung in Wärme umgesetzt. Dies führt zu einer lokalen Erwärmung der betreffen­ den Zelle, wenn nicht durch eine spezielle Anordnung eines Kühlsystems die Wärme abtranspor­ tiert wird. Einer Anordnung, bei der die elektrische Energie in Wärme umwandelnde Widerstände fernab der Zellen angeordnet sind, steht die dann notwendige aufwendige Verkabelung mit dem stark erhöhten Risiko der Ausbildung von Kriechströmen oder gar Kurzschlüssen entgegen.

Eine Erwärmung der Umgebung der Zellen oder sogar der Zellen selbst kann nur durch Verminde­ rung der Überladestromstärke gemindert werden, wodurch man der entwickelten Wärme Zeit gibt, sich zu verteilen und abzufließen. Dadurch würde sich jedoch die für die Vergleichmäßigung des Ladezustandes erforderliche Zeit verlängern. Alternativ dazu wird die Ladung einer Batterie beendet, wenn die erste der verschalteten Zellen ihren Volladezustand erreicht haben. Die anderen Zellen sind dann noch nicht voll geladen. Es können jedoch durch Abschätzung der Differenz des Ladezustandes die Zellen mit höherem Ladezustand über eine individuelle Beschaltung gezielt entladen und so auf den Ladezustand der am wenigsten aufgeladenen Zelle gebracht werden. Auch hiermit wird eine Homogenisierung des Ladezustandes aller Zellen untereinander erreicht. Bei der unmittelbar folgenden Entladung ist zwar bei diesem Verfahren etwas weniger Energie aus der Batterie entnehmbar, bei der daran anschließenden Aufladung werden jedoch alle Zellen, die sich ja auf annähernd gleichem Ladezustand befinden, annähernd in Volladung gebracht.

Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Vergleichmäßigung des Ladezustandes der Zel­ len einer Akkumulatorenbatterie erfordern entweder einen hohen Verschaltungsaufwand oder die beim Vorbeileiten des Ladestromes auftretende Verlustleistung wird in Wärme umgesetzt was zu einer unterschiedlichen Temperatur der Einzelzellen führt und damit einer vollständigen Ver­ gleichmäßigung des Ladezustandes der Zellen untereinander im Wege steht.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Vergleichmäßigung des Ladezu­ standes der Zellen einer Akkumulatorenbatterie anzugeben, das ohne hohen Verschaltungsauf­ wand auskommt und die Entwicklung unterschiedlicher Temperaturen in den Zellen vermindert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, wie es in Anspruch 1 angegeben ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 dargelegt.

Erfindungsgemäß wird an Stelle eines ohmschen Widerstandes oder einer sonstigen elektroni­ schen Beschaltung ein Bauteil verwendet, bei dem ein Anteil der dort eingebrachte elektrische Energie in eine Energieform umgewandelt wird, die einen hohen Temperaturgradienten erzeugt, der von der Batterie weggerichtet ist. Insbesondere kann dies mechanische Energie, Strahlungsenergie oder eine Kombination dieser Energiearten sein, ohne daß sich die Erfindung auf diese Möglichkeiten beschränkt. So umfaßt diese Erfindung beispielsweise den Betrieb eines elektrischen Motors, der eine Pumpe oder einen Ventilator antreibt, oder eine elektromagnetische Strahlung aussendende Einheit.

Die Pumpe oder der Ventilator können beispielsweise dazu dienen, die entstehende Abwärme durch Erzeugung einer Strömung eines Fluids aus dem Bereich der Zellen zu entfernen. Im Falle eines Ventilators wäre das die die Zelle bzw. den Zellenverband umgebende Luft, im Falle einer Pumpe könnte dies ein Kühlmedium sein, welches in einem geschlossenen Kühlkreislauf strömt.

Das Bauelement, welches die elektrische Energie in Strahlungsenergie umwandelt, kann z. B. ein Glühkörper sein oder eine Einheit, welche elektromagnetische Strahlung aussendet, die die Akku­ mulatorenbatterie verläßt. Erfindungsgemäß soll im Falle einer von einem Glühkörper ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung dieser bei einer sehr hohen Temperatur betrieben werden, damit die dabei entstehende Strahlung die Akkumulatorenbatterie schnell verläßt und gezielt an die Umgebung abgegeben wird.

Das vorgenannte Verfahren kann anstelle von Beschaltung und Behandlung von Einzelzellen auch durch die Beschaltung und Behandlung von Gruppen von Zellen erfolgen.

Die Erfindung wird an nachfolgenden Beispielen und den Fig. 1 - 4 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung für die Vergleichmäßigung des Ladezustandes der Zellen einer Akkumulatorenbatterie nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltung mit Ventilator,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltung mit Pumpe.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung nach dem Stand der Technik mit mehreren elektrochemischen Speicherzellen in Serie, wobei jede einzelne Zelle 1 einer Schalteinheit 2 zugeordnet ist, über die ein Teil des Überladestromes an der Zelle 1 vorbeigeführt werden kann. Die Schalteinheiten 2 jeder einzelnen Zelle 1 werden dabei angesteuert von einer Zentraleinheit, die mit den Schaltein­ heiten 2 beispielsweise über ein Bussystem 3 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer einzigen Zelle 1, wobei die zugeordnete Schalt­ einheit 2 dem Stand der Technik entspricht. Sie besteht aus einem Kontakt 5 und einem in Serie geschalteten Widerstand 6. Der Kontakt 4 wird über ein Bussystem 3 angesteuert. Ist Kontakt 4 geschlossen, fließt ein Strom "I" durch den Widerstand 5 an der Zelle 1 vorbei. Die dabei umge­ setzte elektrische Leistung R × I² gibt der Widerstand 5 über Strahlung oder Konvektion an seine Umgebung, insbesondere auch an die nahegelegene elektrochemische Speicherzelle 1, ab.

Beispiel 1

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, wobei wieder eine einzelne Speicher­ zelle 1 mit der zugeordneten Schalteinheit 2 dargestellt ist. Hierbei befindet sich in Serie mit dem Kontakt 4 jedoch nicht nur ein ohmscher Widerstand 5 wie in Fig. 2, sondern zusätzlich ein kleiner Motor 6, mit dem ein Ventilator 7 mechanisch gekoppelt ist. Dessen Luftströmung ist nun so orientiert, daß die im Widerstand 5 entstehende Verlustwärme von der Zelle 1 weggeleitet wird und somit eine Aufheizung der Zelle 1 durch die Verlustwärme des Widerstandes 5 vermieden wird. Ein Teil des an der Zelle 1 vorbeigeleiteten Stromes und der innewohnenden elektrischen Energie wird also nicht in Wärme umgesetzt, sondern erfindungsgemäß zum Ableiten von elektri­ scher Verlustwärme von der Zelle 1 verwendet.

Beispiel 2

Fig. 4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel. Hierbei ist in Serie zum Kontakt 4 und zum Widerstand 5 ebenfalls ein elektrisches Motor 6 dargestellt. Dieser ist jedoch mechanisch gekop­ pelt mit einer Pumpe 9, welche das Kühlmedium eines Kühlsystems 10 bewegen kann. Der Wider­ stand 5 ist elektrisch isoliert in diesem Kühlmedium angeordnet. Fließt jetzt nach Schließen des Kontaktes 4 ein elektrischer Strom durch den Widerstand 5 und den Motor 6, so wird die im Wider­ stand 5 entstehende elektrische Verlustwärme durch das Kühlmedium abgeführt und nicht, wie im Falle der in Fig. 2 gezeigten Ausführungen nach dem Stand der Technik, teilweise an die Zelle 1 abgegeben.

Claims (6)

1. Verfahren zur Vergleichmäßigung des Ladezustandes einer Akkumulatorenbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatorenbatterie mit einer Vorrichtung zur Überwachung der Ladung der Einzelzellen versehen ist und daß jeder Einzelzelle eine Schaltungsanordnung zu­ geordnet ist, über welche der Ladestrom zumindest teilweise an einzelnen Zellen oder Zellengruppen bei ungleichen Ladezuständen vorbeigeleitet wird oder über welche Einzelzellen oder Zellengruppen bis zu einem bestimmten Ladezustand entladen werden, wobei die dabei in der Schaltungsanordnung umgesetzte Energie so abgeleitet wird, daß ein Wärmeeintrag in die Akkumulatorenbatterie weitgehend vermieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch eine Kühlvorrichtung abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung mit Luft oder einer Flüssigkeit als Kühlmedium betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung einen Lüfter oder eine Umwälzpumpe besitzt, die mit der in der Schaltungsanordnung umgesetzten Energie betrieben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch einen Strahlungskörper abgeleitet wird, dessen Strahlung von der Akkumulatorenbatterie weggerich­ tet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatorenbatterie gegen die Strahlung des Strahlungskörpers abgeschirmt wird.