DE19843417A1 - Zellenspannungs-Ausgleichschaltung für Akkumulatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Akkumu­ lator aus einer großen Anzahl in Reihe geschalteter Batterie- oder Akkumulatorzellen, insbesondere auf eine Zellenspannungs- Ausgleichsschaltung für Akkumulatoren, insbesondere für Akku­ mulatoren in Elektromobilen.

Bei derartigen Akkumulatoren werden beträchtliche An­ strengungen unternommen- um die Brauchbarkeit und Einsatz­ möglichkeiten von Elektromobilen zu verbessern. Wichtigster Ansatzpunkt ist hierbei der Akkumulator.

Die Ausgangsspannung eines Akkumulators ist abhängig von der Zelle mit der niedrigsten Spannung, so daß nicht sämtliche Akkumulatorzellen gleichmäßig ausgenutzt werden und ihre Leistungsfähigkeit entfalten können.

Bei Akkumulatorzellen, z. B. Lithium-Ionenzellen, ist die Ausgangsspannung abhängig von der Entladung (Fig. 4) sämtli­ cher Zellen (umgekehrt ausgedrückt die Restladung oder Restka­ pazität). Die vorhandenen Ladungsmengen können durch Ver­ gleichmäßigung der Spannungen der Zellen ausgeglichen werden. Wird daher der Lade- oder Entladevorgang so gesteuert, daß die Spannungen sämtlicher Zellen zueinander gleich werden, so läßt sich das Leistungsvermögen jeder einzelnen Zelle maximal ausnutzen.

Fig. 5 zeigt eine bekannte Zellenspannungs-Ausgleichs­ schaltung für eine Zelle oder einen Modul eines Akkumulators; eine solche Schaltung ist für jede einzelnen Zelle vorgesehen.

Bei einer solchen Schaltung wird die Zelle zunächst aufgeladen. Die Entladung erfolgt am Ende des Ladevorganges. D.h., beim Laden wird die Klemmenspannung VB einer Zelle 101 erhöht. Die Aufladung wird mittels einer Spannungserfassungs­ schaltung 104 überwacht. Übersteigt die Klemmenspannung VB der Zelle 101 eine vorgegebene Spannung, wird über einen Entlade­ schalter 102 ein Entladewiderstand 103 eingeschaltet, wodurch elektrische Energie in Wärme umgewandelt und vernichtet wird. Wird die Klemmenspannung VB gleich oder kleiner als die vor­ gegebene Spannung, wird der Entladeschalter 102 geöffnet. Durch Wiederholen des Ein- und Auschaltevorganges des Entlade­ schalters 102 wird die Klemmenspannung VB der Zelle auf die vorgegebene oder Sollspannung eingestellt. Es sei erwähnt, daß bei praktischen Ausführungsformen der Zellenspannungs-Aus­ gleichspannung statt eines Schalters ein Leistungstransistor verwendet und dieser nicht ein- und ausgeschaltet, sondern linear gesteuert wird.

Herkömmliche Akkumulatoren bzw. Zellenspannungs-Aus­ gleichsschaltungen haben folgende Nachteile: Am Entladewider­ stand 103 wird bei Überschreiten der Sollspannung am Entlade­ widerstand 103 durch Wärmeerzeugung Energie vernichtet, wobei besondere Maßnahmen notwendig sind, um diese Wärme abzuführen. Darüber hinaus ist eine Spannungsvergleichmäßigung nur mög­ lich, wenn die Zellenspannung VB am Ende des Ladevorganges ansteigt. Während der Entladung, also im Fahrbetrieb, im Leerlauf oder bei Stillstand des Fahrzeugs ist daher keine Spannungsvergleichmäßigung möglich. Der bekannte elektrische Akkumulator kann daher z. B. bei Hybrid-Elektromobilen nicht verwendet werden, die während der Fahrt nicht auf ihre volle Ladung aufgeladen werden.

Ferner sind Komponenten mit großer Kapazität erforder­ lich, beispielsweise der Entladungswiderstand, eine Kühlplatte und ein Schaltelement sowie ggf. weitere Kühleinrichtungen, so daß der Aufbau groß und konstruktiv kompliziert ist.

Bei dem aus der JA-OS HEI 6-319287 bekannten Akkumulator aus einer großen Anzahl in Reihe geschalteter Zellen ist an dessen Klemmen ein Kondensator angeschlossen, so daß sämtliche Zellen gleichmäßig aufgeladen werden. Hierbei ist jedoch ein Kondensator mit großer Kapazität erforderlich; die Steuerung der Erfassung der Klemmenspannung jeder Zelle und der Erfas­ sung der aufzuladenden Zelle ist logischerweise kompliziert.

Daher sind entsprechend der Anzahl der in Reihe geschal­ teten Zellen mehrere Kondensatoren vorgesehen. In einem ersten Verbindungsmodus sind sämtliche Kondensatoren zur zugehörigen Zelle parallelgeschaltet. In einem zweiten Verbindungsmodus sind die Kondensatoren jeweils parallel zu der zur entspre­ chenden Zelle benachbarten Zelle geschaltet. Zwischen diesen beiden Schaltzuständen wird hin und hergeschaltet, wodurch die Spannungen sämtlicher Zellen vergleichmäßigt werden. Die Spannungsvergleichmäßigung erfolgt hierbei durch Verschieben elektrischer Ladung zwischen den Zellen über die Kondensato­ ren.

Da aber die elektrische Ladung nur zwischen benachbarten Zellen verschoben wird, steigt die für die Spannungsvergleich­ mäßigung notwendige Zeit mit der Anzahl der Zellen. Da ferner für jede Zelle ein Kondensator notwendig ist, sind die Ab­ messungen der Spannungsvergleichmäßigungsschaltung und ihre Kosten entsprechend hoch.

Für Akkumulatoren aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen ist es aus der genannten JP-OS HEI 6-319287 bekannt, eine aufzuladende Zelle auszuwählen, während die Klemmenspan­ nung jeder Zelle und die Spannung eines Kondensators überwacht wird, während die Aufladung durch den durch Bremsstrom aufge­ ladenen Kondensator erfolgt. Dabei werden mehrere Zellen ausgewählt und aufgeladen, so daß die Gesamt-Klemmenspannung der ausgewählten Zellen niedriger wird als die Kondensator­ spannung. Hierdurch kann selbst bei verringerter Kondensator­ spannung aufgeladen werden, und durch Aufladen einer Zelle mit niedriger Klemmenspannung können mehrere Zellen gleichmäßig aufgeladen werden.

Eine Spannungsvergleichmäßigung ist daher nur während des Aufladevorganges möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Akkumula­ tor bzw. eine Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung für Akkumu­ latoren anzugeben, die in der Lage ist, die Spannungen mehre­ rer elektrischer Speichereinrichtungen auszugleichen und die preiswert und einfach aufgebaut ist und schnell arbeitet. Der Spannungsausgleichsvorgang soll auch möglich sein, wenn der Akkumulator nicht voll aufgeladen ist; die Vernichtung elek­ trischer Energie soll vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patent­ anspruch 1 beschriebenen Akkumulator gelöst.

Wird bei diesem Aufbau zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsmodus mittels der Schalteinrichtungen hin und hergeschaltet, erfolgt eine Spannungsvergleichmäßigung zwi­ schen erster und zweiter elektrischer Speichereinrichtung bzw. Zelle über den Kondensator, so daß die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Zellen nicht durch Wärmestrahlung ver­ nichtet zu werden braucht. Vielmehr ist ein Spannungsausgleich ohne Leistungsverluste möglich. Der Akkumulator kann daher sein Leistungsvermögen voll entfalten. Eine Wärmeabfuhr ist nicht nötig. Dabei ist eine Spannungsvergleichmäßigung un­ abhängig vom Betriebszustand wie Fahrt, Aufladen, Entladen usw. möglich.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Akkumulator bzw. eine Zellenspannungs-Ausgleichs­ schaltung der im Anspruch 2 beschriebenen Art gelöst.

Wird bei diesem Aufbau mittels der Schalter zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsmodus wiederholt hin und herge­ schaltet, erfolgt der Spannungsausgleich zwischen der ersten und zweiten elektrischen Speichereinrichtung bzw. Zelle über den Kondensator, die entsprechend den von der Spannungsüber­ wachungseinrichtung erfaßten Spannungen ausgewählt wurde. Daher wird diejenige Zelle gewählt, bei der ein hoher Span­ nungsausgleichsbedarf besteht, so daß ein schneller Spannungs­ ausgleich ermöglicht wird. Aus diesem Grunde kann das Lei­ stungsvermögen des Akkumulators voll genutzt werden. Eine Energievernichtung durch Wärmeerzeugung wird vermieden. Auch sind keine Kühlmaßnahmen erforderlich. Der Spannungsausgleich ist in jedem Betriebszustand möglich wie Fahrt, Aufladen, Entladen usw.

Eine bevorzugte Ausführungsform des im Anspruch 2 be­ schriebenen Akkumulators ist Gegenstand des Anspruchs 3.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch einen Akkumulator bzw. eine Zellenspannungs-Ausgleichs­ schaltung der im Patentanspruch 4 beschriebenen Art gelöst.

Wird mit Hilfe der Schalteinrichtungen wiederholt zwi­ schen dem ersten und zweiten Anschlußmodus hin und hergeschal­ tet, erfolgt der Spannungsausgleich über den Kondensator zwischen dem ersten und zweiten Zellenblock, die von der Spannungserfassungseinrichtung gewählt werden. Demgemäß werden Zellenblöcke gewählt, bei denen die Notwendigkeit des Span­ nungsausgleichs besonders hoch ist, so daß ein schneller Spannungsausgleich ermöglicht wird. Die Leistungsfähigkeit des Akkumulators kann daher voll genutzt werden. Die Differenz­ spannung zwischen dem ersten und zweiten Zellenblock wird nicht in Form von Wärme vernichtet, so daß Energieverluste praktisch vermieden werden. Kühleinrichtungen erübrigen sich. Auch hier ist unabhängig vom Betriebszustand stets ein Span­ nungsausgleich möglich.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfin­ dungsgemäßen Akkumulators bzw. der erfindungsgemäßen Zellen­ spannungs-Ausgleichsschaltung sind Gegenstand der Ansprüche 5 bis 16.

Im folgenden wird eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Akkumulators beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild mit dem wesentlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung für Akkumulatoren,

Fig. 2 ein Fig. 1 entsprechendes Schaltbild in einem ersten Schaltzustand,

Fig. 3 ein Schaltbild entsprechend Fig. 1 und 2 in einem zweiten Schaltzustand,

Fig. 4 in einem Diagramm die Kennlinie einer Zelle des Akkumulators der Fig. 1 und

Fig. 5 das Schaltbild einer herkömmlichen Zellenspan­ nungs-Ausgleichsschaltung für Akkumulatoren.

Fig. 1 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäß aufgebaute Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung für Akkumulatoren. Gemäß Fig. 1 ist der Akkumulator als Speicherbatterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen (elektrische Speicher­ einrichtungen) B1, B2, B3, B4, . . . aufgebaut.

Der Akkumulator dieser Ausführungsform ist besonders geeignet als Speicherbatterie zur Verwendung als Spannungs­ quelle für Elektromobile. Derartige Akkumulatoren enthalten zehn und mehr in Reihe geschaltete Zellen. In Fig. 1 bis 3 sind nur vier Zellen gezeigt. Die Anzahl der Zellen ist jedoch nicht auf eine bestimmte Zahl beschränkt.

Mit jeder Zelle B1, B2, B3, B4, . . . sind jeweils zwei Schalter S11, S12, S21, S22, S31, S32, S41, S42, . . . verbunden. Im einzelnen ist jeweils eine Seite der Schalter S11 und S12 an die positive Klemme der Zelle B1, eine Seite der Schalter S21 und S22 an die negative Klemme der Zelle B1 und an die positive Klemme der Zelle B2, je eine Seite der Schalter S31, S32 an die negative Klemme der Zelle B2 und an die positive Klemme der Zelle B3 und jeweils eine Seite der Schalter S41 und S42 an die negative Klemme der Zelle B3 und damit an die positive Klemme der Zelle B4 angeschlossen.

Die Schalter S11, S12 bis S41, S42, . . . sind sämtlich Ein-/Ausschalter.

Die jeweils andere Seite jedes Schalters S11, S21, S31, S41 ist an die eine Seite eines Kondensators C1 angeschlossen, während die andere Seite jedes Schalters S12, S22, S32, S42, . . . an die andere Seite des Kondensators C1 angeschlossen ist. Die Schalter S11, S12 bis S41, S42 werden von einem Schalter- Steuergerät 1 gesteuert.

Das Steuergerät S1 kann jeden beliebigen der Schalter S11, S12 bis S41, S42, . . . ein- oder ausschalten. Bei dieser Ausführungsform schaltet das Steuergerät 1 auf der Grundlage der Spannungsinformation eines Spannungswächter 2 die Schalter derart, daß die Spannungen der Zelle mit der höchsten und der Zelle mit der niedrigsten Spannung ausgeglichen werden. Im einzelnen wird die Zelle mit der höchsten Spannung zum Kon­ densator C1 zunächst parallelgeschaltet (erster Schaltzu­ stand). Danach wird die Parallelverbindung der Zelle mit der höchsten Spannung mit dem Kondensator C1 getrennt und die Zelle mit der niedrigsten Spannung wird mit dem Kondensator C1 parallel- geschaltet (zweiter Schaltzustand). Danach wird die Parallelverbindung zwischen der Zelle mit der niedrigsten Spannung und dem Kondensator C1 getrennt.

Wenn die positive Klemme einer Zelle bei der Parallel­ schaltung der Zelle mit dem Kondensator C1 mit einer Seite des Kondensators C1 verbunden ist, ist die negative Klemme der Zelle mit der anderen Seite des Kondensators C1 verbunden.

Bei dem beschriebenen Umschaltvorgang wird im ersten Schaltzustand dem Kondensator C1 eine hohe Spannung zugeführt, so daß entsprechend dieser hohen Spannung eine große elek­ trische Ladungsmenge geladen wird. Im zweiten Schaltzustand wird die dem Kondensator C1 zugeführte Spannung niedriger als im ersten Schaltzustand, so daß die diesem Spannungsabfall entsprechende elektrische Ladung der Zelle mit der niedrigsten Spannung zugeführt wird. Wird die Umschaltung vom ersten in den zweiten Schaltzustand wiederholt, so wird elektrische Ladung von der Zelle mit der höchsten zur Zelle mit der nied­ rigsten Spannung übertragen, so daß zwischen diesen Zellen ein Spannungsausgleich erfolgt.

Mit dem Schalter-Steuergerät 1 dieser Ausführungsform wird zu jedem Zeitpunkt in vorbestimmten Zyklen eine Zelle mit der höchsten und eine Zelle mit der niedrigsten Spannung gewählt und die gewählten Zellen werden mit dem Kondensator C1 parallelgeschaltet. Indem zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand hin und hergeschaltet wird, wird zwischen den gewählten Zellen von der Zelle mit hoher Spannung zur Zelle mit niedriger Spannung elektrische Ladung übertragen, wodurch zwischen diesen Zellen ein Spannungsausgleich erfolgt.

Innerhalb eines Zyklus kann mehrfach oder auch nur einmal zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand hin und herge­ schaltet werden. In jedem Fall erfolgt durch die Parallel­ schaltung zwischen den Zellen und dem Kondensator C1 im ersten und zweiten Schaltzustand ein Spannungsausgleich zwischen einer Zelle mit der zu dieser Zeit höchsten und einer Zelle mit der zu dieser Zeit niedrigsten Spannung.

Die Schalter S11, S12 bis S41, S42 können mechanische Schalter sein. Vorzugsweise bestehen sie jedoch aus Halblei­ terschaltern wie Halbleitertransistoren, die besser steuerbar und haltbarer sind.

Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet wie folgt: Auf der Grundlage der Spannungsinformation vom Zellen-Spannungs­ wächter 2 werden unter den Zellen die Zelle mit der höchsten und die Zelle mit der niedrigsten Spannung in Zyklen gewählt. Zwischen der Zelle mit der höchsten und der Zelle mit der niedrigsten Spannung wird durch den Umschaltvorgang die Span­ nung ausgeglichen.

Ist zum Beispiel in einem bestimmten Arbeitszyklus die Spannung V1 der Zelle B1 am höchsten und die Spannung V3 (V3 < V1) der Zelle B3 am niedrigsten, werden zunächst die Schalter S11 und S22 eingeschaltet, so daß die positive Klemme der Zelle B1 mit der einen Seite (untere Klemme in Fig. 1 bis 3) des Kondensators C1 und die negative Klemme der Zelle B1 mit der anderen Seite (obere Klemme in Fig. 1 bis 3) des Kondensators C1 verbunden ist (Fig. 2, erster Schaltzustand).

Sind im ersten Schaltzustand der Kondensator C1 und die Zelle B1 parallelgeschaltet, wird die Spannung an der Zelle B1 und am Kondensator C1 gleich V1'. Die Spannung V1' (= V1 - v₁) ist um v₁ niedriger V1, entsprechend der von der Zelle B1 in den Kondensator C1 geflossenen elektrischen La­ dung.

Darauf werden die Schalter S11 und S22 ausgeschaltet (Fig. 1) und die Schalter S31 und S42 eingeschaltet, so daß die positive Klemme der Zelle B3 mit der einen Seite und die negative Klemme der Zelle B3 mit der anderen Seite des Kon­ densators C1 verbunden ist (Fig. 3, zweiter Schaltzustand).

Sind im zweiten Schaltzustand Kondensator C1 und Zelle B3 parallelgeschaltet, so ist die Spannung der Zelle B3 und die Spannung am Kondensator C1 gleich V3'. Die Spannung V3' (= V3 + v₃) ist um v₃ höher als V3, entsprechend der elektri­ schen Ladung, die vom Kondensator C1 in die Zelle B3 geflossen ist.

Am Ende des zweiten Schaltzustand sind die Schalter S31 und S42 ausgeschaltet (Fig. 1).

In der beschriebenen Weise wird elektrische Ladung über den Kondensator C1 von der Zelle B1 zur Zelle B3 übertragen, so daß die Spannung der Zelle B1 von V1 abnimmt und die Span­ nung der Zelle B3 von V3 ausgehend zunimmt. Infolgedessen nimmt die Spannungsdifferenz zwischen den Zellen B1 und B3 ab.

Bei der Steuerung der Schalter im ersten und im zweiten Schaltzustand wird eine vorher bestimmte Anzahl von Malen oder nur einmal zwischen den Zellen B1 und B3 hin und hergeschal­ tet, wobei die Schaltersteuerung in den nachfolgenden Zyklen ähnlich erfolgt. D. h., mit Hilfe des Steuergeräts 1 wird aufgrund der Spannungsinformation vom Zellen-Spannungswächter 2 aus der Vielzahl der Zellen die Zelle mit der höchsten und die Zelle mit der niedrigsten Spannung gewählt.

Im folgenden Zyklus hat die Spannung der Zelle B1 abge­ nommen und die Spannung der Zelle B3 zugenommen. Ist jedoch die Spannungszu- oder -abnahme gering, besteht die Möglichkeit, daß die Zelle B1 als Zelle mit der höchsten oder die Zelle B3 als Zelle mit der niedrigsten Spannung gewählt wird. Vergli­ chen mit dem vorausgehenden Zyklus hat zumindest die Spannung der Zelle B1 mit der höchsten Spannung abgenommen und zumin­ dest die Spannung der Zelle B3 mit der niedrigsten Spannung zugenommen.

Durch ein- oder mehrmaliges Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand wird zwischen der neu gewähl­ ten Zelle mit der höchsten Spannung und der neu gewählten Zelle mit der niedrigsten Spannung zwischen diesen Zellen die Spannung ausgeglichen. Infolgedessen hat, verglichen mit dem vorausgehenden Arbeitszyklus, die Spannung der Zelle mit der höchsten Spannung ebenfalls abgenommen und die Spannung der Zelle mit der niedrigsten Spannung ebenfalls zugenommen.

Daher wird bei Wiederholung des vorgehend beschriebenen Vorganges die Spannung zwischen mehreren Zellen wirkungsvoll ausgeglichen, so daß zwischen einer Vielzahl von Zellen ein schneller Spannungsausgleich erfolgt.

Insbesondere wenn der Spannungsunterschied zwischen zwei Zellen groß ist, fließt die elektrische Ladung von der Zelle schnell zum Kondensator C1, so daß der Spannungsausgleich zwischen zwei Zellen durch das Fließen der elektrischen Ladung innerhalb kurzer Zeit und wirkungsvoll erfolgt.

Statt zwischen nur zwei kann der Spannungsausgleich auch gleichzeitig zwischen drei und mehr Zellen erfolgen.

Zum Beispiel ist denkbar, daß die mittlere Spannung aller Zellen berechnet und das zwischen einer ersten. Zellengruppe (eine einzelne oder mehrere Zellen, d. h. ein elektrischer Akkumulatorblock), bei der die Differenz der mittleren Span­ nung gleich oder größer ist als eine vorbestimmte Spannung, und einer zweiten Zellengruppe (elektrischer Akkumulator­ block), bei der die Differenz zur mittleren Spannung kleiner ist als der vorbestimmte Wert, der Spannungsausgleich gleich­ zeitig erfolgt. Hierbei ist das Steuergerät 1 mit einer Funk­ tion (Wähleinrichtungen) ausgerüstet, mit der mehrere Zellen­ gruppen oder Blöcke festgelegt und dann zwei Zellengruppen oder Blöcke aus den festgelegten Zellengruppen oder Blöcken ausgewählt werden.

In diesem Fall werden anfänglich sämtliche Zellen einer ersten Zellengruppe, bei der die Differenz zur mittleren Spannung gleich oder größer ist als die vorbestimmte Spannung, gleichzeitig mit dem Kondensator C1 parallelgeschaltet, so daß dieser im ersten Schaltzustand aufgeladen wird. Nachdem der erste Schaltzustand aufgehoben ist, werden sämtliche Zellen der zweiten Gruppe, bei der die Differenz zur mittleren Span­ nung geringer als der vorbestimmte Wert ist, gleichzeitig mit dem Kondensator C1 parallelgeschaltet, so daß der Kondensator C1 in alle Zellen der zweiten Zellengruppe entladen wird (zweiter Schaltzustand). Auf diese Weise fließt elektrische Ladung von den Zellen mit hoher Spannung zu den Zellen mit niedriger Spannung, so daß der Spannungsausgleich gleichzeitig zwischen einer großen Anzahl von Zellen erfolgen kann. Hier­ durch ist ein schnellerer Spannungsausgleich zwischen einer großen Anzahl von Zellen möglich.

Weiter ist ein wirkungsvollerer Spannungsausgleich mög­ lich, wenn dieser so eingestellt wird, daß er endet, sobald die Spannungsunterschiede zwischen den Spannungen sämtlicher Zellen und der mittleren Zellenspannung innerhalb einer vor­ bestimmten, sehr kleinen Spanne liegt. Ist bei weiterer Benut­ zung des Akkumulators die Spannungsdifferenz zwischen jegli­ cher Spannung der Zellen und der mittleren Spannung gleich oder größer als der vorbestimmte, sehr kleine Wert, dann kann der Spannungsausgleich z. B. zwischen den Zellen mit der größten Spannungsdifferenz erfolgen.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal­ tung kann also eine beliebige Zelle unter einer Vielzahl von Zellen ausgewählt und mit einem Kondensator verbunden werden, um die Spannung unter den Zellen auszugleichen. Der Spannungs­ abgleich ist daher mit hoher Wirksamkeit möglich.

Zusätzlich besteht der Vorteil, daß Größe und Kosten der gesamten Schaltung vermindert werden kann, weil nur ein ein­ ziger Ausgleichkondensator zur Ladungsverschiebung notwendig ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Akkumulator können die Zellen z. B. aus Lithium-Ionenzellen bestehen. Nach der in Fig. 4 gezeigten Kennlinie von Lithium-Ionenzellen ist die Spannung vom Maß der Entladung abhängig. Umgekehrt kann gesagt werden, daß die Zellenspannung von der Lademenge abhängig ist. Daher wird durch den Spannungsabgleich die Zellenspannung auf eine gewünschte Lade- oder Entladungsmenge eingestellt.

Wie in Fig. 4 gezeigt, verläuft die Kennlinie einer Nickel-Wasserstoff-Zelle sehr flach und ist nicht linear mit der Entlademenge veränderlich. Die Entlade- oder Lademenge kommt daher durch die Spannungsvergleichmäßigung nicht in den gewünschten Zustand. Ist jedoch wie bei der Lithium-Ionenzelle die Spannung linear mit der Entlade- oder Lademenge veränder­ lich, werden die Entlade- oder Lademengen der einen Akkumula­ tor bildenden Zellen in gewünschtem Maße vergleichmäßigt, so daß ein aus derartigen Zellen aufgebauter Akkumulator in befriedigendem Maße verwendbar ist.

Da bei der erfindungsgemäßen Schaltung die Spannungen der Zellen B1, B2, B3, B4, . . . durch Verschieben der elektrischen Ladung über den Kondensator C1 vergleichmäßigt werden, ist kein Bauteil vorhanden, durch das eine größere Wärmemenge entsteht. Die Spannungsvergleichmäßigung erfolgt wegen der Vermeidung der Entstehung von Wärme ohne Energieverluste.

Dabei ist die Vergleichmäßigung nicht auf diejenigen Zeiten beschränkt, während deren der Akkumulator voll aufge­ laden ist. Die Spannung der Zelle kann unabhängig vom Be­ triebszustand (Fahren, Laden, Entladen) vergleichmäßigt wer­ den. Daher ist die Vergleichmäßigung auch während des Ent­ ladens oder auch dann möglich, wenn die Batterie nicht benutzt wird. Die erfindungsgemäße Schaltung kann in Elektromobilen verwendet werden, die während der Fahrt bei Erzeugung elek­ trischer Energie (Bremsbetrieb) nicht auf den vollen Ladezu­ stand aufgeladen werden, z. B. in Hybrid-Elektromobilen.

Wird eine solche Schaltung im Betrieb eingesetzt, muß sie mit gutem Wirkungsgrad und zuverlässig arbeiten und eine lange Lebensdauer haben. Aus diesem Grunde werden als Schalter S11, S12, S21, S22, . . . Leistungs-Bauteile verwendet, deren Schalt­ verlust möglich klein ist (z. B. FETs und IGBTs). Das Steuer­ gerät 1 ist vorzugsweise mit einer Schaltung ausgerüstet, die mittels eines externen Oszillators die Schalter S11, S12, S21, S22, . . . automatisch umschaltet.

Wird als Kondensator C1 ein Kondensator mit verhältnis­ mäßig großer Kapazität verwendet, beispielsweise ein elek­ trischer Doppelschichtkondensator, läßt sich die Spannung schnell vergleichmäßigen. Erfolgt die Spannungsvergleichmäßi­ gung jedoch stets oder häufig, so reicht ein Kondensator mit geringer Kapazität aus, um die Lademengen durch Spannungsver­ gleichmäßigung auszugleichen.

Ferner sind eine Schaltung zur Verhinderung hoher Lade­ ströme zum Kondensator C1 und eine Anfangs-Ladeschaltung erforderlich.

Zusätzlich können im Umschalt-Steuergerät 1 verschiedene weitere Funktionen kombiniert sein. Z. B. können ein Wartungs­ schalter und die Schalter S11, S12, S21, S22, . . . gegenein­ ander verriegelt sein, wobei sie im Bedarfsfall durch eine externe Spannungsmeßschaltung geschaltet werden. Ferner kann eine Funktion vorgesehen sein, durch die die Spannungsver­ gleichmäßigung (bei der die Schalter S11, S12, S21, S22, . . . ge­ wählt und in der richtigen Weise geschaltet werden), wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Ferner kann vorgesehen sein, die Spannungsvergleichmäßigung mit Hilfe eines Zeitge­ bers in vorbestimmten Intervallen durchzuführen. Ferner kann die Spannungsvergleichmäßigung durchgeführt werden, wenn die Spannungsvergleichmäßigung durch eine Schaltung zur Steuerung der anzuschließenden elektrischen Last angezeigt wird (im Falle von Elektromobilen ein Motor-Steuergerät oder ein Rest­ ladungs-Meßgerät).

Ähnliche Vorteile lassen sich erzielen, wenn statt des Kondensators C1 ein Isoliertransformator oder eine Batterie­ zelle verwendet wird.

Die Erfindung ist auch anwendbar auf eine Reihe von Kondensatoren, die anstelle der Zellen als elektrische Spei­ chereinrichtungen verwendet werden. D. h., statt auf einen Akkumulator mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen ist die Erfindung auch auf eine Reihe von Kondensatoren mit mehreren in Reihe geschalteten Kondensatoren anwendbar.

Wird der beschriebene Aufbau bei Speicherbatterien oder elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren angewandt, bei denen infolge der Zellenspannungsschwankungen Nachteile auftreten, wenn mehrere Zellen oder mehrere Kondensatoren miteinander kombiniert werden, und wenn eine Spannungsvergleichmäßigungs­ schaltung vorgesehen ist, kann eine Anordnung realisiert werden, durch eine ständige Spannungsvergleichmäßigung ohne große Energieverluste möglich ist.

Ferner kann eine Funktion vorgesehen werden, bei der die erfindungsgemäße Schaltung nicht ständig sondern mit Hilfe eines Zellenspannungswächters nach Bedarf durchgeführt wird.

Wird die erfindungsgemäße Schaltung bei einer Lithium- Ionen-Batteriezelle angewandt, so lassen sich deren günstige Eigenschaften hundertprozentig ausnutzen und einen sicheren Betrieb gewährleisten.

Die zur Spannungsvergleichmäßigung erforderliche Zeit kann abgekürzt werden, wenn die Geschwindigkeit, mit der der Schaltzustand durch das Steuergerät geschaltet wird, verändert wird, wenn sich der Spannungsvergleichmäßigungsprozeß von dem Fall einer großen Spannungsdifferenz zwischen den Batteriezel­ len zum Fall einer kleinen Spannungsdifferenz hin ändert.

Claims (16)

1. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung für Akkumulatoren mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (B1 bis B4), ge­ kennzeichnet durch

• - einen zu wenigstens zwei der Zellen (B1 bis B4) parallelschaltbaren Kondensator (C1), und
• - durch Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42), die se­ lektiv in einen ersten Schaltzustand, in dem der Kondensator (C1) mit der ersten Zelle derart ver­ bunden ist, daß der Kondensator (C1) durch die erste Zelle aufgeladen oder entladen wird, und in einen zweiten Schaltzustand schaltbar ist, in dem der Kon­ densator (C1) mit einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Zelle verbunden ist, so daß der Kondensator (C1) über die zweite Zelle aufgeladen oder entladen wird,
• - wobei die Schalter zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand hin und herschalten.

2. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung für Akkumulatoren mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (B1 bis B4), ge­ kennzeichnet durch einen zu wenigstens zwei der Zellen (B1 bis B4) parallelschaltbaren Kondensator (C1), und

• - durch einen Spannungswächter (2) zur Überwachung der jeweiligen Spannungen der Zellen (B1 bis B4), und
• - durch Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42) zum Wählen von zwei Zellen entsprechend den vom Spannungswäch­ ter (2) erfaßten Spannungen, die selektiv in einen ersten Schaltzustand, in dem der Kondensator (C1) mit der ersten Zelle derart verbunden ist, daß der Kondensator (C1) durch die erste Zelle aufgeladen oder entladen wird, und in einen zweiten Schaltzu­ stand schaltbar ist, in dem der Kondensator (C1) mit einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Zelle verbunden ist, so daß der Kondensator (C1) über die zweite Zelle aufgeladen oder entladen wird, wobei die Schalter zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand hin und herschalten.

3. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zellen (B1 bis B4) aus­ gewählt werden, zwischen denen eine hohe Spannungsdiffe­ renz besteht, durch die Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42) entsprechend den vom Spannungswächter (2) erfaßten Spannungen als erste und zweite Zelle ausgewählt werden.

4. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung für Akkumulatoren mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen (B1 bis B4), ge­ kennzeichnet durch

• - Wähleinrichtungen zum Unterteilen der Zellen (B1 bis B4) in mehrere Zellenblöcke und Auswählen von zwei Blöcken, die je aus einer oder mehreren Zellen be­ stehen,
• - durch einen mit einem beliebigen Zellenblock par­ allelschaltbaren Kondensator (C1), und
• - Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42), die selektiv in einen ersten Schaltzustand, in dem der Kondensator (C1) mit einem ersten Zellenblock derart verbunden ist, daß ein Teil der elektrischen Energie des er­ sten Zellenblockes zum Kondensator (C1) übertragen wird, und in einen zweiten Schaltzustand schaltbar ist, in dem der Kondensator (C1) mit einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen Zellenblock verbunden ist, so daß der zweite Zellenblock aufgeladen wird,
• - wobei die Wahl der zwei Zellenblöcke durch die Wähl­ einrichtung und die Umschaltung zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand mittels der Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42) abwechselnd erfolgt.

5. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C1) mit allen Zellen des Zellenblocks parallelschaltbar ist, die durch die Wähleinrichtung ausgewählt werden.

6. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung einen Span­ nungswächter (2) zum Überwachen der Spannungen der Zellen (B1 bis B4) umfaßt, und daß die Wähleinrichtung auf der Grundlage der vom Spannungswächter (2) erfaßten Spannun­ gen die mehreren Zellenblöcke festlegt und unter den Zellenblöcken zwei Zellenblöcke auswählt.

7. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung einen Span­ nungswächter (2) zum Überwachen der Spannungen der mehre­ ren Zellen (B1 bis B4) umfaßt und als einzigen Zellen­ block eine einzelne Zelle oder einen einzelnen Zellen­ block festlegt, in dem die vom Spannungswächter (2) er­ faßte Spannung in einem vorbestimmten Zustand ist.

8. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zelle oder der Zellenblock, in der die vom Spannungswächter (2) erfaßte Spannung am höchsten ist, durch die Wähleinrichtung als erster Zel­ lenblock unter den Zellen (B1 bis B4) festgelegt wird.

9. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zelle oder der Zellenblock, in der die vom Spannungswächter (2) erfaßte Spannung am niedrigsten ist, durch die Wähleinrichtung als erster Zellenblock unter den Zellen (B1 bis B4) festgelegt wird.

10. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung einen ein­ zelnen Zellenblock festlegt, bei dem die vom Spannungs­ wächter (2) erfaßte Spannung innerhalb eines vorbestimm­ ten Bereichs liegt.

11. Zellenspanungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung aus den vom Spannungswächter (2) erfaßten Zellenspannungen der Zellen (B1 bis B4) einen mittleren Spannungswert berechnet und als ersten Zellenblock denjenigen Block festlegt, bei dem die Spannungsdifferenz gegenüber der mittleren Spannung gleich oder größer ist als eine erste vorbestimmte Span­ nung.

12. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung als zwei­ ten Zellenblock denjenigen Block festlegt, bei dem die Spannungsdifferenz gegenüber der mittleren Spannung gleich oder kleiner ist als eine zweite vorbestimmte Spannung.

13. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42) einmal oder eine vorbestimmte Zahl von Malen zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand hin und herschalten.

14. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung einen nachfolgenden Zellenblock wählt, wenn die Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42) die vorbestimmte Zahl von Malen hin und hergeschaltet wurden, wobei vorzugsweise die Wahl des nachfolgenden Zellenblocks durch die Wähleinrichtung und die Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42) wiederholt ausgeführt werden.

15. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung einen Span­ nungswächter (2) zum Überwachen der Spannungen der Zellen (B1 bis B4) umfaßt, und daß die Wähleinrichtung auf der Grundlage der vom Spannungswächter (2) erfaßten Spannun­ gen die mehreren Zellenblöcke festlegt und unter den Zellenblöcken zwei Zellenblöcke auswählt.

16. Zellenspannungs-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wähleinrichtung einen mittleren Spannungswert aus den Spannungen der vom Span­ nungswächter (2) erfaßten Spannungen der Zellen (B1 bis B4) berechnet, daß die Wähleinrichtung die Umschaltung zwischen erstem und zweitem Schaltzustand beendet und einen nachfolgenden Zellenblock wählt, wenn die Spannun­ gen sämtlicher Zellen (B1 bis B4) innerhalb des ersten und zweiten Zellenblocks gegenüber der mittleren Spannung innerhalb einer dritten vorbestimmten Spannungsdifferenz liegen, und daß die Wahl des nachfolgenden Zellenblocks durch die Wähleinrichtung und die Schalter (S11 bis S41; S12 bis S42) wiederholt ausgeführt werden.