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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Steuern des Ladens und Entladens einer Batteriegruppe,
bei dem die Kapazität
der Batteriegruppe, die aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten
wiederaufladbaren Batterien aufgebaut ist, berechnet wird.
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Eine wiederaufladbare Batterie, die
wiederholt geladen und entladen werden kann, wird mit einer Volladungserfassungsschaltung
und einer Überentladungsschutzschaltung
versehen, um ein Überladen
oder Überentladen
zu verhindern. Als eine Maßnahme
zum Erkennen einer Volladung sind das Spannungserfassungsverfahren,
welches die Spannung einer wiederaufladbaren Batterie erfasst, das Verfahren
-DV, welches einen vorgeschriebenen Spannungsabfall von einer Scheitelspannung
einer wiederaufladbaren Batterie erfasst, das Temperaturerfassungsverfahren,
welches die Temperatur einer wiederaufladbaren Batterie erfasst,
und andere Verfahren bekannt. Andererseits sind Verfahren wie das Erfassen
der Spannung einen wiederaufladbaren Batterie in Verbindung mit
einer Überentladungsschutzschaltung
gut bekannt.
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Im übrigen ist bei der Verwendung
von wiederaufladbaren Batterien als Stromquellen eine Vielzahl von
wiederaufladbaren Batterien oft in Reihen- und Parallelschaltungen
zur Verwendung als eine Batteriegruppe elektrisch miteinander verbunden.
In dem Fall einer Batteriegruppe zeigen die Kapazität jeder
einzelnen wiederaufladbaren Batterie und die Leistungsfähigkeit
jeder wiederaufladbaren Batterie mit dem Laden und Entladen eine
gewisse Variation, und alle wiederaufladbaren Batterien erreichen
nicht exakt denselben Zustand. Obgleich die Beobachtung der gesamten
Batteriegruppe kein Anzeichen eines Problems zeigt, ist es infolge
dessen möglich,
dass ein Teil der einzelnen wiederaufladbaren Batterien sich überladen
oder überentladen
hat und dass die Batteriegruppe als Ganzes verschlechtert worden
ist.
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Zum Lösen dieses Problems beschreibt
die ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 7-335266, die am 22. Dezember 1995 erschienen ist, das Vorsehen
einer Nebenschlussschaltungsanordnung für jede Batterie einer Vielzahl
von wiederauflad baren Batterien, die in Reihe geschaltet sind. Für den Fall
einer Batteriegruppe, die als eine Stromquelle für ein elektrisches Kraftfahrzeug
verwendet wird, beträgt
jedoch die Zahl der wiederaufladbaren Batterien, die in Reihe geschaltet
sind, etwa zweihundert, und die Schaltungskomplexität wird extrem.
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Aus der
DE 38 32 839 A1 ist ein
Gerät zur Überwachung
von wiederaufladbaren Batterien in automatischen Fertigungstransportanlagen
bekannt. Bei solchen Anlagen sind viele batteriegetriebene Fahrzeuge
im Einsatz, die weitgehend automatisch gesteuert werden, weshalb
eine Prüfung
der Batterien sowie von deren Entladezustand im Einzelnen mit bekannten
Verfahren sehr kostenintensiv sind. Hier sorgt das bekannte Gerät für Abhilfe,
indem es eine fortlaufende Bilanzierung der Ladung und Entladung der
Batterie ermöglicht.
Zu diesem Zweck kann das bekannte Gerät den Entladezustand der Batterie
von Fahrzeugen, die in automatischen Fertigungstransportanlagen
an Haltepunkten kurzzeitig geladen werden, während auf den Fahrten zwischen
den Haltepunkten zeitlich schwankende Entladeströme fließen, über längere Zeit überwachen, so dass dann in Betriebspausen,
beispielsweise über
Nacht, die Batterien in gesteuerter Weise voll aufgeladen werden können, wobei
dann für
die darauffolgende Betriebsperiode ein Ausgangspunkt für die Ermittlung
des Entladezustandes gegeben ist. Wenn eine Batterie weitgehend
entladen ist, kann diese, bevor das Fahrzeug stehen bleibt und bevor
eine Tiefentladung der Batterie eintritt, welche eine bleibende
Schädigung der
Batterie zur Folge hätte,
in einer Fertigungstransportanlage an einen übergeordneten Rechner gemeldet
werden, welcher das Fahrzeug aus dem Verkehr zieht, ein Ersatzfahrzeug
bereitstellt und das Fahrzeug, dessen Batterie entladen ist, über längere Zeit an
einer Ladestation belässt.
Das alles erfordert einen hohen Steuerungsaufwand, der für das Steuern des
Ladens und Entladens einer Batteriegruppe eines elektrischen Kraftfahrzeuges
zu aufwendig wäre. Bei
einem elektrischen Kraftfahrzeug wird danach getrachtet, den Steuerungsaufwand
in Grenzen, d.h. auf einem mittleren Niveau zu halten.
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Aus der
DE 195 41 959 A1 ist eine
Fahrzeugbatterie-Steuervorrichtung zur gleichmäßigen Aufladung mehrerer Batterien,
die eine Fahrzeugbatterie bilden, bekannt. Um zu vermeiden, dass
nach wiederholtem üblichem
Aufladen einer Fahrzeugbatterie einige Batteriezellen vorhanden
sind, die nicht ausreichend geladen werden, ist es üblich, die
Fahrzeugbatterie in regelmäßigen Intervallen
mit einem geringen konstanten Strom für eine längere Zeit aufzuladen, was
als Ausgleichsladen oder Erhaltungsladen bezeichnet wird. Die bekannte
Steuervorrichtung ist dafür
ausgelegt, die Wartung und Kontrolle eines Elektrofahrzeugs durch
Automatisierung des Vorgangs der Ausgleichsladung oder Erhaltungsladung der
Fahrzeugbatterie zu erleichtern. Die Möglichkeit, ein Über laden
und Überentladen
jeder einzelnen wiederaufladbaren Batterie einer Batteriegruppe
zu verhindern, bietet diese bekannte Steuervorrichtung nicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Verfahren zum Steuern des Ladens und Entladens einer Batteriegruppe über eine
einfache Konfiguration zu erreichen, die ein Überladen und Überentladen
jeder einzelnen wiederaufladbaren Batterie der Batteriegruppe verhindert.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Schritten gelöst.
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Bei dem Laden und Entladen einer
Batteriegruppe, die aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten
wiederaufladbaren Batterien aufgebaut ist, ermöglicht das Verfahren nach der
Erfindung das Laden und Entladen der Batteriegruppe, während ein Überladen
und Überentladen
von sämtlichen
einzelnen wiederaufladbaren Batterien zuverlässig verhindert wird, ungeachtet
von Kapazitäts-
und Leistungsfähigkeitsvariationen
jeder einzelnen wiederaufladbaren Batterie.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des
Verfahrens nach der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Es wird bevorzugt, einen oberen Kapazitätsgrenzwert
festzulegen, der niedriger als die Vollladungskapazität der Batteriegruppe
ist, einen unteren Kapazitätsgrenzwert,
der größer als
die Kapazität
bei vollständiger
Entladung ist, und eine vorgeschriebene Kapazität in der Mitte des Bereiches
zwischen dem oberen Kapazitätsgrenzwert
und dem unteren Kapazitätsgrenzwert.
Wenn die berechnete Kapazität
den oberen Kapazitätsgrenzwert
oder den unteren Kapazitätsgrenzwert
mit mehr als einer vorgeschriebenen Häufigkeit erreicht oder jedes
Mal dann, wenn eine vorgeschriebene Zeitspanne verstrichen ist,
wird die berechnete Kapazität
der Batteriegruppe revidiert.
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Weiter wird vorzugsweise bei dem
Verfahren nach der Erfindung die berechnete Kapazität der Batteriegruppe
revidiert durch Laden, bis die Temperatur oder die Geschwindigkeit
des Temperaturanstiegs von wenigstens einer wiederaufladbaren Batterie gleich
einem vorgeschriebenen oder größer als
ein vorgeschriebener Wert wird oder bis die Batteriespannung gleich
einer vorgeschriebenen oder größer als
eine vorgeschriebene Spannung wird. In diesem Punkt wird ein Kapazitätstoleranzgrenzwert,
der niedriger als die Volladungskapazität ist, aber größer als
der obere Kapazitätsgrenzwert
ist, für
die berechnete Kapazität
der Batteriegruppe vorgegeben.
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Es wird bei dem Verfahren nach der
Erfindung auch bevorzugt, ein Laden der Batteriegruppe nach der
Revision der berechneten Kapazität
zu sperren, bis die berechnete Kapazität der Batteriegruppe die vorgeschriebene
Kapazität
erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ausführung des
Verfahrens nach der Erfindung,
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2 ein
Blockschaltbild, das Einzelheiten einer Steuerschaltung in der Schaltungsanordnung nach 1 zeigt,
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3 ein
Flussdiagramm, das die Arbeitsweise einer Ausführungsform des Verfahrens nach der
Erfindung zeigt,
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4 ein
Diagramm des Lade-Entladestroms, das die Arbeitsweise einer Ausführungsform des
Verfahrens nach der Erfindung zeigt, und
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5 ein
Diagramm der Batteriekapazität, das
die Arbeitsweise einer Ausführungsform
des Verfahrens nach der Erfindung zeigt.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ausführung des
Verfahrens nach der Erfindung.
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1 zeigt
ein Batterieladegerät 1,
eine Batteriegruppe 2, die aus einer Vielzahl von wiederaufladbaren
Batterien aufgebaut ist (z.B. 200 Nickelwasserstoffbatterien), welche
elektrisch in Reihe geschaltet sind, eine durch die wiederaufladbare
Batteriegruppe 2 gespeiste Last 3, einen zwischen
dem Ladegerät 1 und
der Batteriegruppe 2 angeordneten Ladeschalter 4,
einen zwischen der Batteriegruppe 2 und der Last 3 angeordneten
Entladeschalter 5, einen Ladestrom- und Entladestromwiderstand 6 für die Batteriegruppe 2,
der mit der Batteriegruppe 2 in Reihe geschaltet ist, ein
Temperaturerfassungselement 7 zum Erfassen der Temperatur
der Batteriegruppe 2 und eine Steuerschaltung 8 zum
Ein- und Aus-Steuern des Ladeschalters 4 und des Entlade schalters 5 auf
der Basis der Kapazität,
der Batteriespannung und der Temperatur usw. der Batteriegruppe 2.
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Die Batterietemperaturerfassung kann
eine Erfassung der Temperatur von sämtlichen wiederaufladbaren
Batterien oder der Temperatur von bestimmten Blöcken der Batteriegruppe 2 sein.
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2 zeigt
die Einzelheiten der Steuerschaltung B. In 2 sind dargestellt eine Batteriespannungserfassungsschaltung 11 zum
Messen der Spannung der Batteriegruppe 2 und ein erster
und ein zweiter Verstärker 12 bzw. 13 zum
Verstärken
der Spannung, die an den beiden Klemmen des zur Stromerfassung eingesetzten
Widerstandes 6 gebildet wird. Wenn ein Ladestrom durch
die Batteriegruppe 2 fließt, wird eine Spannung, die
zu der Spannung an dem Widerstand 6 proportional ist, durch
den ersten Verstärker 12 abgegeben.
Wenn dagegen ein Entladestrom durch die Batteriegruppe 2 fließt, wird
eine Spannung, die zu der Spannung an dem Widerstand 6 proportional
ist, durch den zweiten Verstärker 13 abgegeben.
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2 zeigt
eine Kapazitätsberechnungsschaltung 14,
die den Ladestrom und den Entladestrom multipliziert, nämlich das
Ausgangssignal aus dem ersten Verstärker 12 und dem zweiten
Verstärker 13 mit
einer vorgeschriebenen Zeit zum Berechnen der Ladekapazität und der
Entladekapazität
der Batteriegruppe 2. Eine Kapazitätsintegrierschaltung 15 integriert
die Kapazität
der Batteriegruppe 2 auf der Basis von berechneten Ergebnissen
aus der Kapazitätsberechnungsschaltung 14.
Die Kapazitätsintegrierschaltung 15 addiert
sukzessive die berechnete Kapazität der Batteriegruppe 2 während des
Ladens und subtrahiert die berechnete Kapazität der Batteriegruppe 2 während des
Entladens. Die Integrationsergebnisse aus der Kapazitätsintegrierschaltung 15 werden
die berechnete Kapazität
der Batteriegruppe 2.
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Weiter zeigt 2 eine Batterietemperaturerfassungsschaltung 16,
die die Temperatur der Batteriegruppe 2 über das
Signal aus dem Temperaturerfassungselement 7 bestimmt.
Durch eine Lade-Entladesteuerschaltung 17 werden der Ladeschalter 4 und
der Entladeschalter 5 auf der Basis von Ergebnissen aus
der Kapazitätsintegrierschaltung 15,
der Batteriespannungserfassungsschaltung 11 und der Batterietemperaturerfassungsschaltung 16 Ein-
und Ausgesteuert.
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In der Steuerschaltung 8 ist
das System aus der Kapazitätsberechnungsschaltung 14,
der Kapazitätsintegrierschaltung 15 und
der Lade-Entladesteuerschaltung 17 vorzugsweise als ein
Mikrocomputer implementiert.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung
erfolgen das Laden und Entladen der Batteriegruppe 2 grundsätzlich innerhalb
eines vorgeschriebenen Bereiches, der durch einen unteren Kapazitätsgrenzwert
(z.B. 45% der Vollladungskapazität)
und einen oberen Kapazitätsgrenzwert
(z.B. 55% der Vollladungskapazität)
definiert ist.
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Im folgenden ist ausführlicher
die Arbeitsweise auf der Basis des Flussdiagramms nach 3 beschrieben. In einem
ersten Schritt S1 erfolgt eine Initialisierung. Hier wird die Batteriegruppe 2 auf
eine vorgeschriebene Kapazität
geladen (z.B. 50% der Vollladungskapazität).
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In dem Fall, in welchem die Batteriegruppe
2 zum Versorgen eines elektrischen Kraftfahrzeuges verwendet wird,
werden das Laden und Entladen in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen
des Kraftfahrzeuges wiederholt ausgeführt, wie es in 4 gezeigt ist. In einem zweiten Schritt
S2 werden die Ladekapazität
und die Entladekapazität
berechnet durch Integrieren des Ladestroms und des Entladestroms
in jedem vorgeschriebenen Zeitintervall (T1, T2, T3, T4,... innerhalb
der Zeitspanne T), wie es in 4 gezeigt
ist. An eine erste vorgeschriebene Zeitspanne schließt sich
eine zweite vorgeschriebene Zeitspanne an. Erzwungenes Laden oder
erzwungenes Entladen erfolgt während
der zweiten vorgeschriebenen Zeitspanne, um zu bewirken, dass sich die
Summe der Lade-Entladekapazität,
die während der
zweiten vorgeschriebenen Zeitspanne integriert wird, plus der Lade-Entladekapazität, die während der
ersten vorgeschriebenen Zeitspanne integriert wird, gegen null geht.
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Um die Arbeitsweise mehr ins einzelne
gehend zu erläutern,
wird angenommen, dass die Entladekapazität um eine Größe X während des
Zeitintervalls T1 größer als
die Ladekapazität
ist. Über
das gesamte Zeitintervall T2 erfolgt ein erzwungenes Laden, das
zu einer Änderung
der Größe X äquivalent ist.
Infolgedessen wird die Größe der Batteriekapazität, die von
der vorgeschriebenen Kapazität
der Batteriegruppe 2 in dem Zeitintervall T1 verbraucht
worden ist, wiederaufgefüllt
und die Kapazität
der Batteriegruppe 2 streut nicht sehr weit von der vorgeschriebenen
Kapazität.
Es wird jedoch genau wie während
des Zeitintervalls T1 die Lade-Entladekapazität zusätzlich zu der Größe der erzwungenen
Ladung während
des Zeitintervalls T2 integriert. Infolgedessen sei angenommen,
dass die Größe der Ladekapazität um eine
Größe Y während des
Zeitintervalls T2 größer als
die Entladekapazität
ist.
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In diesem Fall erfolgt über dem
gesamten Zeitintervalls T3 ein erzwungenes Entladen für eine Batteriegruppenkapazität der Größe Y. Infolgedessen
wird die Kapazität
der Batteriegruppe 2 um eine Größe verringert, die zu der äquivalent
ist, die über die
vorgeschriebene Kapazität
hinaus während
T2 addiert worden ist, und wieder streut die Kapazität der Batteriegruppe 2 nicht
sehr weit von der vorgeschriebenen Kapazität. Es wird jedoch wieder die
Lade-Entladekapazität
wie während
des Zeitintervalls T2 integriert, wobei die Größe der erzwungenen Entladung
ebenfalls addiert wird.
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Auf diese Art und Weise schwankt
die Kapazität
der Batteriegruppe 2 während
des Ladens und Entladens um die vorgeschriebene Kapazität, welche die
Mitte eines vorgeschriebenen Bereiches zwischen oberem und unterem
Kapazitätsgrenzwert
ist. Es gibt jedoch Fälle,
in denen die Differenz zwischen der Ladekapazität und der Entladekapazität über einem
vorgeschriebenen Zeitintervall so groß ist, dass sie über das
nächste
vorgeschriebene Intervall durch erzwungenes Laden oder erzwungenes
Entladen nicht eingestellt werden kann. In einem solchen Fall streut
die Kapazität
der Batteriegruppe 2 von der vorgeschriebenen Kapazität beträchtlich
und kann den oberen Kapazitätsgrenzwert
oder den unteren Kapazitätsgrenzwert
erreichen oder überschreiten.
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Weiter, wenn die Zeit voranschreitet,
entwickelt sich eine Diskrepanz zwischen der berechneten Kapazität und der
tatsächlichen
Kapazität
der Batteriegruppe 2, und es ist notwendig, die berechnete
Kapazität
zu revidieren. Es erfolgt eine Beurteilung in dem dritten Schritt
S3, ob die berechnete Kapazität der
Batteriegruppe 2 den oberen Kapazitätsgrenzwert oder den unteren
Kapazitätsgrenzwert
mit einer vorgeschriebenen Häufigkeit
erreicht hat oder nicht oder ob eine vorgeschriebene Zeit seit der
letzten Revision verstrichen ist oder nicht. Wenn diese beiden Bedingungen
erfüllt
sind, wird die berechnete Kapazität der Batteriegruppe 2 revidiert.
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Die Revision der berechneten Kapazität erfolgt
in dem vierten Schritt S4. Wenn zwei von den oben erwähnten Bedingungen
erfüllt
sind, wird ein erzwungenes Laden der Batteriegruppe 2 zuerst
in dem Schritt S4 ausgeführt,
bis die Temperatur oder die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs
der gesamten Batteriegruppe 2 oder von wenigstens einer wiederaufladbaren
Batterie der Batteriegruppe 2 einen vorgeschriebenen Wert
erreicht oder bis die Batteriespannung eine vorgeschriebene Spannung
erreicht.
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Wenn eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird
das Laden der Batteriegruppe 2 gesperrt, und es wird ein
vorbestimmter Kapazitätstoleranzgrenzwert (z.B.
95% der vollen Kapazität)
in die berechnete Kapazität
der Batteriegruppe 2 eingeschrieben. Der ge sperrte Ladezustand
wird aufrechterhalten, bis die berechnete Kapazität der Batteriegruppe 2 die
vorgeschriebene Kapazität
(nämlich
50%) erreicht.
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Somit wird durch Ausführen dieses
vierten Schrittes S4 die berechnete Kapazität der Batteriegruppe 2 revidiert.
Nachdem die berechnete Kapazität
der Batteriegruppe die vorgeschriebene Kapazität erreicht hat, kehrt der Betrieb
zu dem Schritt S2 zurück.
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Gemäß der oben beschriebenen Arbeitsweise
erfolgen das Laden und Entladen der Batteriegruppe 2 typisch
innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches, der zwischen dem oberen
Kapazitätsgrenzwert
und dem unteren Kapazitätsgrenzwert liegt
und dessen Mitte die vorgeschriebene Kapazität ist, wie es in 5 gezeigt ist. Darüber hinaus
wird die berechnete Kapazität
der Batteriegruppe 2 periodisch revidiert, um Laden und
Entladen innerhalb des oben beschriebenen vorgeschriebenen Bereiches
zu gewährleisten.