DE2726367C2

DE2726367C2 - Vorrichtung zur Regelung der Stromentnahme aus einer elektrischen Batterie

Info

Publication number: DE2726367C2
Application number: DE2726367A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. 7141 Aldingen Härer; Josef Dipl.-Ing. Juhasz; Rolf 7143 Vaihingen Schulze
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1984-12-13
Also published as: JPS545537A; IT1096519B; US4210855A; DK258578A; GB1587505A; FR2394126A1; DK153187C; DK153187B; FR2394126B1; IT7824395A0; DE2726367A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer beispielsweise aus der DE-OS 25 21 462 bekannten Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruches.

Es sind Vorrichtungen zur Regelung der Stromentnahme aus einer elektrischen Batterie, beispielsweise einer Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug, bekannt, bei denen als Schutz gegen Ticfentladung der elektrischen Batterie bei Erreichen einer einstellbaren unteren Spannungsgrenze der Strommaximalwert zurückgenommen wird. Vom Batterieherstelier wird als untere Spannungsgrenze beispielsweise die Entladeschlußspannung Urs angegeben, die bei einem gewissen Entladestrom z. B. 1,4 V pro Zelle beträgt. Wird jedoch nach Erreichen der Entladeschlußspannung auf die Konstanthaltung dieser Spannung geregelt, ohne Rücksicht darauf, welchen Strom die Batterie noch liefern kann, tritt eine Ticfentladung und damit eine irreversible Schädigung der Batterie ein. Beispielsweise wird durch eine Tiefentladung die Lebenserwartung der Batterie, d. h. die Zahl der möglichen Entladc-Zyklen wesentlich verringert

Aus der bereits erwähnten DE-OS 25 21 462 ist eine Einrichtung zur Überwachung der elektrischen Span-

nung einer Batterie und einer davon abhängigen Regelung der Stromentnahme bekannt Wird eine Grenzspannung unterschritten, die mittels eines Grenzspannungsstellers einstellbar ist, so wird mittels eines Relais ein Teil der Verbraucher abgeschaltet, so daß auf diese Art und Weise die Stromentnahme der Batterie verringert wird. Die dort vorgeschlagene Vorrichtung hat den Nachteil, daß nach der Verringerung des Stromes die Batterie vor einer Tiefenlladung nicht geschützt ist, da das Abschalten weiterer Verbraucher und damit eine weitere Reduzierung des Stromes bei einer tieferen Entladung nicht mehr möglich ist. Die bekannte Vorrichtung ist daher nicht in der Lage eine Tiefentladung der Batterie zu verhindern. Die DE-OS 14 13 940 zeigt eine Anordnung zur Erfas-

sung des Zustandes einer Batterie. Bei der dort vorgeschlagenen Schaltungsanordnung werden der Strom aus der Batterie und die Spannung der Batterie mittels Geber erfaßt. Werden bestimmte Werte der Spannung und des Stromes unterschritten, so wird ein Alarm ausgelöst.

Es bleibt nunmehr dem Benutzer überlassen, ob er das Gerät abstellen will oder trotz des Alarmes die Batterie weiter entlädt. Auch diese Vorrichtung ist daher nicht geeignet, sine Tiefentladung der Batterie zu verhindern. Entweder wird beim Auslösen eines Alarmes der Balte ricstrom vollständig unterbrochen, was insbesondere bei Elcktrofahrzeugen nicht von Vorteil ist oder aber es besteht weiterhin die Gefahr der Tiefentladung, wenn beispielsweise das Elektrofahrzeug weiterhin betrieben wird.

Die DE-OS 23 33 932 zeigt schließlich eine Einrichtung zum Ermitteln eines Ladezustandes von Akkumulatorenbatterien, bei der zur Bestimmung der Kapazität der Akkumulatorbatterie die Temperatur erfaßt ist. Mittels einer Bewertungsschaltung wird temperaturab-

hängig der Ladezustand der Batterie bestimmt und angezeigt. Auch diese Schaltungsanordnung ist nicht dazu geeignet, eine Tiefentladung der Batterie sicher zu verhindern, da dies eine ständige Überwachung der Ladezustandsanzeige bedingen würde. Weiterhin ist es mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich, bei entladener Batterie im geringem Umfang Strom zu entziehen, ohne daß eine Tiefentladung verhindert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Stromentnahme aus einer

so elektrischen Batterie zu schaffen, bei der einerseits eine Tiefentladung sicher verringert wird und andererseits eine weitgehende Ausnutzung der Ladekapazität der Batterie erfolgt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßc Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine stromabhängige Unter-

bo spannungsregelung durchgeführt wird. Dabei wird die Batterie bei niedrigem Ladezustand entlang einer Entladungsgeraden geregelt. Wählt man diese Entladungsgcrade in einem für die Batterie zulässigen Bereich, beispielsweise 10%, so ist gewährleistet, daß die Batterie

b5 nicht geschädigt wird, da die 10% Entladungsgcnicle zu keinem Zeitpunkt unterschritten wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem einfach aufzubauen und kann IktriebsparameterfBattcrieklcm-

mcnspannung, Battcriestrom) verwenden, die beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug ohnehin zur Fahrtregclung ermittelt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird die stromabhängige Untcrspannung.sregclung zudem noch von der Batlerietempiratur abhängig gemacht, so daß auch das sehr kritische Temperaturverhallen von Fraktionsbatlerien berücksichtigt werden kann. ~

Zeichnung

Ein Kcnnlinicnfeld und ein Prinzipbild einer Ausführungsform einer erfindungsgcmäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

l^;ig. 1 ein Entladungs-Kennlinienfeld einer Traktionsbatterie;

Fig. 2 das Prinzipbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Stromentnahme.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist das Entladungs-Kennlinienfeld einer Traktionsbatterie dargestellt. Dabei wird üblicherweise die Zellenspannung U/ über dem Zellenkurzsehlußstrom Ik aufgetragen. Für die verschiedenen Ladungszustiinde der Traktionsbatterie ergeben sich dann Entladungsgcraden, beispielsweise eine erste Entladungsgerade 1 für eine voll geladene Batterie (100%), eine zweite Entladungsgerade 2 für eine halb geladene Batterie (50%), eine dritte Entladungsgerade 3 für eine mit der Grcnzladung geladene Batterie (10%) und eine vierte Entladungsgerade 4 für eine entladene Batterie (0%). Die Enlladcschlußspannung Ut:s ist in das Kennlinienfeld als Spannungsgerade 5 eingetragen. Die Entladcschlußspannung Ui:s ist eine Herstellerangabe für einen bestimmten Balterictyp und besagt, daß beispielsweise bei einem Entludestrom von 500 Ampere bei Erreichen einer Zellenspannung von 1,4 Volt — der Entladeschlußspannung U/s — der Ladungsgrcnz/.ustund der Batterie erreicht ist, unterhalb dessen Schaden der Batterie auftreten können.

Bei einem Elektrofahrzeug mit Traktionsbatterie!! ist ein bestimmter Fahrstrom /;_:-erforderlich. Bei voll geladener Balteric siclll sich zunächst ein erster Arbeilspunkl 6 auf der ersten Enlladungsgeraclen 1 ein. Mit zunehmender Entladung sinkt die Zellenspanniing ab, bis ein zweiter Arbeitspunki 7 auf der dritten Entladungsgcraden 3 erreicht ist. Bei den bisher üblichen Rcgelungsverfahrcn wird nun vom zweiten Arbeilspunkt 7 mit konstanter Spannung in Richtung auf einen Punkt 8 geregell, wobei jedoch aufgrund der Unlerspannungsrcgelung mit konstanter Spannung die vierte Entladungsgcrade erreicht und damit eine Tiefcntladung der Batterie bewirkt würde.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bei Erreichen des Punktes 7, wie weiter unten ausführlich beschrieben, eine stromabhängige Unterspannungsregelung durchgeführt, d. h., es wird nicht auf eine konstante Spannung sondern auf eine verknüpfte Größe aus Strom und Spannung, beispielsweise die Summe von Snom und Spannung geregelt. Auf diese Weise ist es möglich, vom /weilen Arbeiispunkl 7 entlang der dritten E⁷.ntludungsgcraden 3 zu einem Arbeitspunki 9 oder darüber hinaus zu gelangen. Dabei wird der Batterie auch ienseits des /weiten Arbeitsnunkies 7 noch Leistung entzogen, ohne jedoch die kritische dritte Entladungsgerade 3 zu unterschreiten.

Zur Realisierung einer stromabhängigen Unterspannungsregelung muß die Batterie-Klemmenspannung Ub und der Batterie-Strom In gemessen und die beiden Größen in einer Weise verknüpft werden, daß eine vorbcsiimmtc kritische Eniladungsgerade nicht unterschritten wird. Dies kann beispielsweise durch Addition eines Strom- und Spanniingssignales und Vergleich mit

ίο einem Referenzsignal geschehen, hierdurch würde eine Entladungsgcrade elektronisch nachgebildet. Andererseits ist es auch möglich, eine Entladungsgerade durch eine Hyperbel nachzubilden, die durch Multiplikation des Strom- mit dem Spannungssignal entsteht.

In -F i g. 2 ist das Prinzipschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Eine Batterie 10 speist einen Motor 11, wobei in den Stromkreis ein Stromsteller 12 geschaltet ist, der mit einem Sollwertgeber 13 in Wirkverbindung steht. An die Klemmen der Batterie 10 ist ein erster Spannungswandler 14 angeschlossen, in den Verbraucherstromkreis ist ein Stromaufnehmer 15 geschaltet, der mit einem zweiten Spannungswandler 16 verbunden ist. Der erste Spannungswandler 14 und der zweite Spannungswandler 16 sind über Widerstände 17, 18 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 19 angeschlossen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 19 isl ferner über einen Widerstand 20 mit einer Klemme 21 und über einen Widerstand 22 mit dem

ίο Ausgang des Operationsverstärkers 19 verbunden. Der nicht-invcrticrendc Eingang des Operationsverstärkers 19 liegt an Masse. Der Ausgang des Operationsverstärkers 19 ist auf eine Sollwert-Begrenzungsstufe 23 geführt, die zwischen den Sollwertgeber 13 und den

J5 Stromsteller 12 geschaltet ist.

In dem ersten Spannungswandler 14 wird ein der Batterie-Klemmenspannung Un entsprechendes Signal gebildet und über den Widerstand 18 dem inverlierenden Eingang des Operationsverstärkers 19 zugeführt. In dem zweiten Spannungswandler 16 wird ein dem Batterie-Strom In entsprechendes Signal gebildet und über den Widerstand 17 ebenfalls dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 19 zugeführt. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Klemme 21

4¹) kann festgelegt werden, bei welcher Entladungsgeraden entsprechend F i g. 1 die Regelung mit der Vorrichtung nach F i g. 2 eingreifen soll. Bei zunächst konstantem Batterie-Strom /»greift die Regelung zunächst nicht ein, da die Summe der von den Spannungswandlern 14, 16

^r)0 gelieferten Signale größer als das von der Klemme 21 herrührende Signal. Nimmt jedoch die Zellenspannung und damit die Batterie-Klemmenspannung Un bei fortschreitender Entladung der Batterie ab, beginnt bei Gleichheil des Summensignales von Strom und Spannung und des über die Klemme 21 eingespeisten Refercnzsignales die Abregelung über den Operationsverstärker 19, der ein Eingreifen der Sollwertbegrenzungsstufe 23 bewirkt, die zwischen den Soiiwerlgeber 13 und den Stromsteller 12 geschaltet ist Es wird also bei Errei-

M) chen einer durch Anlegen eines geeigneten Referenzsignales an die Klemme 21 bestimmbaren Entladungsgeraden auf eine konstante Summe v:in Strom- und Spannunjssignal geregell, was dem Regclverhalten vom zweiten Arbeitspunkt 7 zum dritten Arbeitspunkt 9 in

(,■-> Fig. I entspricht. Um ein zu schnelles Abregein des Batterie-Stromes In bei lirreichen der vorgewählten Entlaclungsgeraden zu verhindern, ist es weiterhin beispielsweise möglich, durch geeignete Wahl der Gegen-

kopplung des Operationsverstärkers 19 ein Regclverhalten in der Weise zu realisieren, daß die Abregelung beispielsweise bei einer Entladungsgeraden, die 20% Ladezustand entspricht, einsetzt und bei 5% Restkapazität aufhört. ·;

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Tatsache Rechnung getragen, daß sich die Entladungsgcraden einer Batterie stark mit der Temperatur ändern. Um den Temperatureinfluß bei der Regelung der Stromentnahme zu bcrücksichtigen ist ein Temperaturfühler 24 vorgesehen, der sich in thermischem Kontakt mit der Batterie 10 befindet. Der Temperaturfühler 24 ist an einen dritten Spannungswandler 25 angeschlossen, der seinerseits über einen Widerstand 26 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 19 verbunden ist. Durch diese Schaltung wird der Einsatzpunkt der oben beschriebenen Abregelung in Abhängigkeit von der Temperatur, wie sie von dem Temperaturfühler 24 an der Batterie 10 gemessen wird in geeigneter Weise, die durch den dritten Spannungswandler 25 bestimmt werden kann, verschoben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

J5

40

M)

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung der Stromentnahme aus einer elektrischen Batterie zur Verhinderung der Tiefentladung mit einem Vergleicher, der eingangsseitig mit einem Istwertsignal und einem Referenzsignal beaufschlagt ist, wobei das Istwcrtsignal in Abhängigkeit von der Batterieklemmenspannung steht und mit einem in den Verbraucherstromkreis geschalteten Stromsteller, dessen Stellzustand von einem Ausgangssignal des Vergleichers beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Istwertsignal durch Addition zweier Signalspannungen gebildet ist, deren erste der Batterie-Klemmenspannung und deren zweite einem im Verbraucherstromkreis fließenden Strom entspricht, und daß das Ausgangssignal des Vergleichers (19) einer Sollwertbegrenzungsstufe (23) zugeführt ist, die zwischen einen Sollwertgeber (13) und den Stromsteller (12) geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der beiden Signalspannungen ein erster Spannungswandler (14) an die Klemmen der Batterie und ein Stromwandler (15, 16) in den Verbraucherstromkreis geschaltet sind, daß die Ausgänge des ersten Spannungswandlers (14) und des Stromwandlers (15,16) über Widerstände (17,18) an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (19) gelegt sind, der zusätzlich über einen Widerstand (20) an einer mit dem Referenzsignal (Urs) beschalteten Klemme (21) liegt, daß der Operationsverstärker (19) mit einem Widerstand (22) gegengekoppelt ist und daß sein Ausgang mit einer Sollwertbegrenzungsstufe (23) verbunden ist, die zwischen Sollwertgeber (13) und Stromsteller (12) geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Batterie thermisch verbundener Temperaturfühler (24) vorgesehen ist und daß eine der Batterietemperatur entsprechende Spannung dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (19) zugeführt ist.