DE4231732C2 - Method for charging a multi-cell battery - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie unter Verwendung eines Batterieladegerätes und einer eine potentialfreie Nachladeeinrichtung enthaltenden microcontroller gesteuerten Einrichtung zur Analyse des Ladezustandes einer aus mehreren Zellen oder Teilbatterien bestehenden Gesamtbatterie mit Schaltvorrichtungen zum Anschalten wenigstens einer Zelle oder Teilbatterie an wenigstens eine mit einem Diagnoseschaltkreis verbundene Doppelleitung, wobei ein System von mehreren Doppelleitungen entsprechend einem Bruchteil der Gesamtzahl der Batteriezellen oder Teilbatterien der Gesamtbatterie vorgesehen ist, wobei als Schaltvorrichtungen mehrpolige Relais mit der Anzahl an Doppelleitungen entsprechender Anzahl an Schaltkontakten vorgesehen sind, von denen jeder an eine Leitung einer eigenen Doppelleitung angeschlossen ist, wobei die Schaltkontakte aller mehrpoligen Relais einerseits mit den Knotenpunkten der Batteriezellen oder Teilbatterien und andererseits mit den Doppelleitungen so verbunden sind, daß in der Reihenschaltung der Batteriezellen oder Teilbatterien benachbarte Knotenpunkte abwechselnd an die eine und die andere Leitung der eigenen Doppelleitung angeschlossen sind, wobei jede Doppelleitung an ein aus wenigstens einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes RC-Filter angeschlossen ist oder anschaltbar ist, dessen Kondensator über ein zweipoliges Schaltglied an den Eingang einer Spannungsmeßeinrichtung schaltbar ist, nachdem zuvor die über zwei der mehrpoligen Relais an das RC-Filter angeschalteten, der zu messenden Batteriezelle oder Teilbatterie zugehörigen Knotenpunkte wieder von dem RC-Filter abgeschaltet worden sind, nach Patent 41 32 229.The invention relates to a method for loading a multi-cell Battery using a battery charger and one microcontroller containing potential reloading device controlled device for analyzing the state of charge total battery with several cells or sub-batteries Switching devices for switching on at least one cell or Sub-battery to at least one with a diagnostic circuit connected double line, a system of several Double lines corresponding to a fraction of the total number of Battery cells or partial batteries of the overall battery is provided, being multi-pole relays with the number of switching devices Double lines of appropriate number of switching contacts are provided are, each of whom is on a line of their own double line is connected, the switching contacts of all multipole relays on the one hand with the nodes of the battery cells or partial batteries and on the other hand are connected to the double lines so that in the series connection of the battery cells or sub-batteries adjacent Nodes alternately to one and the other line of their own Double line are connected, each double line to one off at least one resistor and one capacitor RC filter is connected or can be switched on, its capacitor via a two-pole switching element to the input of a Voltage measuring device is switchable after the two the multi-pole relay connected to the RC filter, which too measuring battery cell or sub-battery associated nodes have been switched off again by the RC filter, according to patent 41 32 229.
Bei der Ladung und Entladung von mehrzelligen, in Serie geschalteten Batterien weisen die Klemmenspannungen der einzelnen Zellen oder Teilbatterien infolge von unvermeidlichen unterschiedlichen konstruktiven, chemischen und elektrischen Parametern der einzelnen Zellen unterschiedliche Klemmenspannungen auf.When charging and discharging multi-cell series connected Batteries have the terminal voltages of the individual cells or Sub-batteries due to inevitable different constructive, chemical and electrical parameters of each Cells have different terminal voltages.
Bei der Anwendung herkömmlicher Ladegeräte, die zur Steuerung des Ladevorganges nach bekannten Ladekennlinien (UI-, W- usw.) lediglich die Klemmenspannungen einer großen Zahl der in Reihe geschalteten Zellen heranziehen, kommt es daher im Laufe der Zeit zu einer unerkannten, zunehmend unterschiedlichen Aufladung der Zellen. Dies kann so weit gehen, daß einzelne Zellen umgepolt werden. Besonders problematisch sind hierbei hermetisch geschlossene Zellen, da diese zum Erhalt des Elektrolyten die genaue Einhaltung einer maximalen Ladespannung erfordern /14/.When using conventional chargers used to control the charging process known charging characteristics (UI, W, etc.) only the Terminal voltages of a large number of cells connected in series therefore, over time, an undetected, increasingly different charging of the cells. This can go so far go that individual cells are reversed. Particularly problematic are hermetically sealed cells because they are used to maintain the Electrolytes the exact observance of a maximum charging voltage require / 14 /.
Weiter ist es bei Ausfall einer Batterie schwierig und zeitaufwendig, die defekte Batterie aufzufinden. Ebenso ist eine Klärung der Ausfallursache nicht elementar möglich.Furthermore, if a battery fails, it is difficult and time-consuming to find the defective battery. There is also a clarification of the The cause of failure is not elementary.
Ein zusätzliches Problem tritt auf, wenn einzelne Zellen durch neue, mit eventuell im Verhältnis zu den verbliebenen Zellen stark abweichenden Parametern, ausgetauscht werden. Dieser Effekt tritt bekannterweise bei Pb-Gel-Zellen auf, deren Anfangskapazität nur etwa 70% des Endwertes beträgt, und die diese Endkapazität erst nach 20 bis 50 Zyklen erreichen. Diese Zellen können mit herkömmlichen Ladegeräten nicht angemessen geladen werden, so daß der Hersteller gezwungen ist, sogenannte vorzyklierte Zellen oder Teilbatterien bereitzustellen.An additional problem arises when individual cells are replaced by new, with possibly strong in relation to the remaining cells deviating parameters can be exchanged. This effect occurs known to Pb gel cells whose initial capacity is only about 70% of the final value, and this final capacity only after 20 reach up to 50 cycles. These cells can be used with conventional Chargers are not adequately charged, so the manufacturer is forced to use so-called pre-cycled cells or partial batteries to provide.
Die Erfindung berührt zwei Problemkreise, nämlich die Messung, Diagnose oder Analyse von Batterien, insbesondere die Ermittlung der momentanen Kapazität und die gezielte Nachladung ausgewählter Zellen oder Teilbatterien.The invention addresses two problem areas, namely measurement, Diagnosing or analyzing batteries, especially determining the current capacity and the targeted reloading of selected cells or partial batteries.
Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die aus dem Klemmenverhalten der gesamten Batterie auf den Ladezustand schließen /1/, /2/, /3/. There are a number of methods known from the Infer terminal behavior of the entire battery on the state of charge / 1 /, / 2 /, / 3 /.
In /4/ ist eine Anordnung beschrieben, die sich auf die Kapazitätsmessung einer aus in Reihe geschalteten Einzelelementen bestehenden Batterie bezieht. Dabei wird die gesamte Batterie mit einem Entladewiderstand belastet. Mittels eines Sequenzers werden dann zyklisch alle Elemente adressiert, und es werden die Klemmenspannungen aller Elemente nacheinander einem Komparator zugeführt. Außerdem wird die Entladezeit überwacht. Bei Unterschreitung eines Schwellwertes der Klemmenspannung eines Elements wird der zyklische Meßvorgang unterbrochen.In / 4 / an arrangement is described which relates to the Capacity measurement of a single element connected in series existing battery. The entire battery is included a discharge resistor. Using a sequencer then all elements are cyclically addressed and the Terminal voltages of all elements in succession to a comparator fed. The discharge time is also monitored. At Falling below a threshold value of the terminal voltage The cyclical measuring process is interrupted.
Bezugspotential für die Messung jeder Zellenspannung ist Massepotential, so daß die Genauigkeit bei diesem Verfahren mit steigender Elementeanzahl stark abnimmt. Weiterhin ist eine quantitative Angabe der Kapazität unmöglich - lediglich ein Schwellwert wird überwacht. Eine Nachladung einzelner Zellen während der Gesamtladung ist mit dieser Anordnung nicht möglich.Reference potential for the measurement of each cell voltage is Ground potential, so that the accuracy with this method with increasing number of elements decreases sharply. Furthermore, one It is impossible to quantify the capacity - just a threshold is being supervised. Reloading individual cells during the Total loading is not possible with this arrangement.
Bei der Schaltung nach /5/ wird der Verdrahtungsaufwand bei der Messung einer Vielzahl von Einzelelementen dadurch verringert, daß jede Zelle oder Gruppe von Zellen mit einer Meßschaltung verbunden ist, die über eine gemeinsame Steuerleitung und/oder Meßleitung ausgelöst wird, wobei diese Werte nacheinander über eine gemeinsame Meßleitung einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung zugeführt werden.When switching to / 5 /, the wiring effort for Measurement of a large number of individual elements reduced in that each cell or group of cells is connected to a measuring circuit is that over a common control line and / or measuring line is triggered, these values successively over a common Measuring line are fed to a common evaluation device.
Das in /6/ beschriebene Batterieladesystem enthält einen Mikroprozessor und einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung und Weiterverarbeitung der elektrischen Signale, um daraus Ausgangssignale zu gewinnen, die zur Ladungssteuerung und Anzeige verwendet werden können.The battery charging system described in / 6 / contains one Microprocessor and one or more sensors for recording and Processing the electrical signals to get out of it Gain output signals used for charge control and display can be used.
Die rechnergesteuerte Anordnung nach /7/ dient zum Laden einer Vielzahl von Batterien, die verschiedenen Typs sein können und elektrisch nicht in Reihe geschaltet sind. Es wird zunächst der Typ und die Anfangsladung jeder Batterie bestimmt, und es werden dann die Batterien nacheinander in umgekehrter Reihenfolge ihrer Anfangsladung geladen.The computer-controlled arrangement according to / 7 / is used to load one Variety of batteries that can be of different types and are not electrically connected in series. It will be the type first and determines the initial charge of each battery, and then it will the batteries one after the other in reverse order of their Initial charge loaded.
Die Anwendungen /8/ bis /13/ stellen zum Teil sehr aufwendige Lösungen dar, gehen aber sämtlich von der Klemmenspannung der Gesamtbatterie aus.The applications / 8 / to / 13 / are sometimes very complex Solutions are, but all go from the terminal voltage of the Total battery off.
In /15/ wird ein Ladeverfahren angegeben, das mit Hilfe eines Mikroprozessors die Ladung und Messung mehrerer Batterien gestattet./ 15 / specifies a charging procedure that can be carried out using a Microprocessor allows the charging and measurement of multiple batteries.
Ferner sind noch bekannt:Also known are:
- - Automatisch gesteuertes Mikroprozessor-Batterieprüfgerät BAT-CAT der Firma ANPICO. Dieses Gerät dient ausschließlich zur Batteriediagnose. Hierbei werden die Zellenspannungen über eine Vielzahl von Analogeingängen (Meßeinschüben) mit hoher Auflösung (12 Bit) eingelesen.- Automatically controlled microprocessor battery tester BAT-CAT ANPICO company. This device is only used for battery diagnosis. Here the cell voltages are measured over a variety of Analog inputs (plug-in modules) with high resolution (12 bit) read.
- - Batterielade- und Controllsystem (BL + CS) der Firma "Hildebrand Industrie Electronic" in Dietlikon (CH). Bei diesem Gerät werden die einzelnen Zellen oder Teilbatterien über zweipolige Relais mit einem prozessorgesteuerten Meß- und Ladegerät verbunden, wobei je Zelle ein Relais vorhanden ist.- battery charging and control system (BL + CS) from "Hildebrand Industrie Electronic "in Dietlikon (CH) individual cells or partial batteries via two-pole relays with one Processor-controlled measuring and charger connected, with each cell there is a relay.
Es ist eine Batterie-Prüfvorrichtung bekannt (WO 91/17451), bei welcher die Verbindungen der in Reihe geschalteten einzelnen Zellen an Monitor-Moduln angeschlossen sind, wobei die Monitor-Moduln, von denen je eines für eine Gruppe von 1 bis m Zellen vorhanden ist, über Datenbusse mit einer Steuereinheit verbunden sind. Außerdem ist eine Spannungs- bzw. Strommeßvorrichtung vorhanden. Diese Vorrichtung steht zwar mit den einzelnen Zellen der Batterie in Verbindung, jedoch dient sie ausschließlich zum Testen der Batterie und nicht zum Laden der Batterie.A battery test device is known (WO 91/17451), at which is the connections of the individual cells connected in series are connected to monitor modules, the monitor modules being from each of which is available for a group of 1 to m cells, are connected to a control unit via data buses. Besides, is a voltage or current measuring device available. This The device stands in with the individual cells of the battery Connection, but it is only used to test the battery and not to charge the battery.
Es ist ferner eine Vorrichtung zum Testen einer Batterie bekannt (EP 0 067 589 A1), bei welcher eine dynamische Spannungs-Strom-Charakteristik ermittelt und mit einer vorbestimmten verglichen wird, welche Batterien des zu untersuchenden Typs repräsentiert. Diese Vorrichtung ist lediglich an die Gesamtbatterie angeschlossen, und sie dient ebenfalls nicht zum Laden einer Batterie.A device for testing a battery is also known (EP 0 067 589 A1), in which a dynamic Voltage-current characteristic determined and with a predetermined which batteries of the type to be examined are compared represents. This device is only to the total battery connected, and it is also not used to charge a battery.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden einer mehrzelligen Batterie der oben genannten Art zu schaffen, mit dem die Überladung einzelner Zellen der Batterie mit Sicherheit vermieden werden kann, so daß die Batterie insgesamt geschont wird und somit deren Lebensdauer verlängert wird.The invention has for its object a method for loading to create a multi-cell battery of the above type with overcharge of individual battery cells with certainty can be avoided, so that the battery is protected as a whole and thus their lifespan is extended.
Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.This is according to the invention by the characterizing features of Claim 1 reached.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.Another embodiment of the invention results from the Subclaim.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt The invention is based on the drawing on a Embodiment explained in more detail. In the drawing shows
Fig. 1 schematisch den schaltungsmäßigen Aufbau einer Einrichtung nach dem Hauptpatent, Fig. 1 shows schematically the circuit moderate construction of a device according to the main patent,
Fig. 2 eine genauere Darstellung der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten der Schaltung nach Fig. 1 und Fig. 2 shows a more detailed representation of the interconnection of the individual components of the circuit according to Fig. 1 and
Fig. 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 3 shows a special embodiment of the device for performing the method according to the invention.
Die Einrichtung nach Fig. 1 enthält einen Microcontroller 7 mit binären Ein/Ausgängen und analogen Eingängen, ein erstes Selektionsnetzwerk 2, mit welchem alle zu betrachtenden Knotenpunkte der in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Teilbatterien einer Batterie 1 mit einem System von Doppelleitungen 3 schaltbar verbunden werden können. Jede der Leitungen des Systems von Doppelleitungen 3 ist mit je einem Eingang eines Überwachungsnetzwerkes 6 verbunden, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist. Das System von Doppelleitungen 3 ist ferner mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 verbunden, in welchem eine der Doppelleitungen 3 mit einer potentialfreien Nachladeeinrichtung 4 schaltbar verbunden werden kann, und in welchem das System von Doppelleitungen mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 zusammengeschaltet werden kann, das mindestens zwei Ausgangsleitungen besitzt, die mit den Eingängen einer aus mindestens einem RC-Filter bestehenden Filterbaugruppe 8 verbunden sind. In einem dritten Selektionsnetzwerk 9 kann eines der RC-Filter der Filtergruppe 8 mit dem Eingang einer Spannungsmeßeinrichtung 10 zusammengeschaltet sein, deren Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist.The device according to FIG. 1 contains a microcontroller 7 with binary inputs / outputs and analog inputs, a first selection network 2 with which all nodes of the single cells or partial batteries of a battery 1 connected in series can be connected in a switchable manner to a system of double lines 3 . Each of the lines of the system of double lines 3 is connected to an input of a monitoring network 6 , the output of which is connected to an analog input of the microcontroller 7 . The system of double lines 3 is also connected to a second selection network 5 , in which one of the double lines 3 can be connected to a potential-free recharging device 4 , and in which the system of double lines can be interconnected with a second selection network 5 , which has at least two output lines has, which are connected to the inputs of a filter assembly 8 consisting of at least one RC filter. In a third selection network 9 , one of the RC filters of the filter group 8 can be connected to the input of a voltage measuring device 10 , the output of which is connected to an analog input of the microcontroller 7 .
Die Lade- und Entlade- und ggf. Rekuperationsströme werden mittels einer Stromerfassung 11, die je einen Meßshunt für den Ladestrom und den Entlade-/Rekuperationsstrom enthält, einer Strommeßeinrichtung 12 zugeführt, deren Ausgänge mit den Analogeingängen des Microcontrollers verbunden sind. Die Meßshunts sind je mit einer Klemme mit dem Minuspol der Batterie 1 und einem gemeinsamen Meßeingang (Nullpunkt) der Meßeinrichtung 12 verbunden. Die Strommeßeinrichtung 12 enthält für die Messung des Entlade- /Rekuperationsstromes einen invertierenden Operationsverstärker, dessen negative Versorgungsspannung mit dem Nullpunkt der Meßeingänge bzw. dem Minuspol der Batterie 1 verbunden ist und dessen beide Eingänge mit dem Shunt 11 galvanisch verbunden sind. Die Ausgänge beider Verstärker sind mit je einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden.The charging and discharging and, if appropriate, recuperation currents are fed to a current measuring device 12 by means of a current detection 11 , each of which contains a measuring shunt for the charging current and the discharge / recuperation current, the outputs of which are connected to the analog inputs of the microcontroller. The measuring shunts are each connected with a terminal to the negative pole of battery 1 and a common measuring input (zero point) of measuring device 12 . The current measuring device 12 contains an inverting operational amplifier for measuring the discharge / recuperation current, the negative supply voltage of which is connected to the zero point of the measurement inputs or the negative pole of the battery 1 and the two inputs of which are electrically connected to the shunt 11 . The outputs of both amplifiers are each connected to an analog input of the microcontroller 7 .
Eine Präzisierung der Art und Weise der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten erfolgt anhand der Fig. 2. Die n zu messenden oder nachzuladenden Zellen oder Teilbatterien 1.1 bis 1.n können mit Hilfe eines aus m untereinander gleichartigen, mehrpoligen Relais 2.1 bis 2.m mit geradzahliger Anzahl I von Arbeitskontakten bestehenden ersten Selektionsnetzwerkes 2 dergestalt mit einem in seiner Anzahl mit der Kontaktanzahl der Relais 2 übereinstimmenden System von Doppelleitungen 3.1 bis 3.I schaltbar verbunden werden, daß je eine Doppelleitung 3 einem Bereich aufeinanderfolgender Zellen oder Teilbatterien zugeordnet ist, wobei aufeinanderfolgende Batterieknotenpunkte von in ihren Ordnungsnummern aufeinanderfolgenden Relais 2 abwechselnd mit je einer der beiden Leitungen der dem jeweiligen Batteriebereich zugeordneten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden können.The manner in which the individual components are interconnected is specified with reference to FIG. 2. The n cells or sub-batteries 1.1 to 1. to be measured or to be recharged . N can be evenly numbered with the aid of a multi-pole relay 2.1 to 2 .m Number I of working contacts existing first selection network 2 can be connected to a system of double lines 3.1 to 3.I which corresponds in number to the number of contacts of the relays 2 , such that a double line 3 is assigned to a region of successive cells or partial batteries, with successive battery nodes of relays 2 which follow one another in their order numbers can be interconnected alternately with one of the two lines of the double lines assigned to the respective battery area.
Die Potentiale aller Doppelleitungen 3 werden in einer aus einem Diodennetzwerk mit gemeinsamer Kathode und einem Spannungsteiler bestehenden Überwachungsnetzwerk 6 zu einem Leitungszustandssignal verdichtet, mit dessen Hilfe der Microcontroller das höchste Potential innerhalb sämtlicher Leitungen der Doppelleitungen 3 erkennen und verarbeiten kann.The potentials of all double lines 3 are compressed in a monitoring network 6 consisting of a diode network with a common cathode and a voltage divider to form a line status signal, with the aid of which the microcontroller can recognize and process the highest potential within all lines of the double lines 3 .
Im zweiten Selektionsnetzwerk 5 kann jeweils eine der Doppelleitungen 3 mit einer potentialfreien Energiequelle zur Nachladung derart schaltbar verbunden werden, daß die mit Hilfe zweier benachbarter Relais 2 angesprochene Zelle oder Teilbatterie 1.x polrichtig mit der Nachladeeinrichtung 4 verbunden ist. Die Energieversorgung für die Nachladeeinrichtung 4 kann aus einer externen Quelle oder vorzugsweise mit Hilfe eines DC-DC-Wandlers mit Potentialtrennung aus der Batterie 1 erfolgen.In the second selection network 5 , one of the double lines 3 can be connected to a potential-free energy source for recharging in such a way that the cell or sub-battery 1 x addressed with the aid of two adjacent relays 2 is connected to the recharging device 4 with the correct polarity. The energy supply for the recharging device 4 can come from an external source or preferably with the aid of a DC-DC converter with potential isolation from the battery 1 .
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 ist außerdem mit einer aus mindestens einem und höchstens aus einer der Anzahl der Doppelleitungen 3 entsprechenden Anzahl von RC-Gliedern 8 verbunden, so daß jeweils mindestens ein Kondensator mit mindestens einer der im zweiten Selektionsnetzwerk 5 ausgewählten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden kann. In einem Schaltwerk 9 wird jeweils einer der Kondensatoren ausgewählt und einer für die Verarbeitung von Eingangsspannungen beider Polarität ausgestatteten Spannungsmeßeinrichtung 10 zugeführt, in welcher eine im Schaltwerk 9 ausgewählte Kondensatorspannung für die Messung durch den Mikrorechner aufbereitet wird.The second selection network 5 is also connected to a number of RC elements 8 corresponding to at least one and at most one of the number of double lines 3 , so that at least one capacitor can be connected to at least one of the double lines selected in the second selection network 5 . In each case, one of the capacitors is selected in a switching mechanism 9 and fed to a voltage measuring device 10 equipped for processing input voltages of both polarities, in which a capacitor voltage selected in the switching mechanism 9 is processed for measurement by the microcomputer.
Bei Anwendung der beschriebenen Anordnung beträgt die Anzahl der notwendigen Relais im ersten Selektionsnetzwerk lediglich n DIVK + 1, wenn n die Zellen- oder Teilbatterieanzahl ist und K die Kontaktzahl der Relais 2 angibt. Weiterhin werden die gleichen Relais 2 sowohl für die Messung, als auch für die Nachladung verwendet.When using the arrangement described, the number of relays required in the first selection network is only n DIVK + 1, if n is the number of cells or sub-batteries and K indicates the number of contacts of the relays 2 . Furthermore, the same relays 2 are used both for measurement and for recharging.
In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung eines speziellen Ausführungsbeispiels dargestellt, das für die Analyse und die Nachladung von maximal 40 Zellen oder Teilbatterien vorgesehen ist. Wenn k Eingangsklemmen des aus Relais mit je vier Arbeitskontakten bestehenden Selektionsnetzwerkes 2 in der dargestellten Weise fortlaufend durchnumeriert werden und n die Anzahl der tatsächlich vorhandenen Zellen oder Teilbatterien angibt, so ist die Anschlußzuordnung zwischen der i-ten Minuspolklemme einer Zelle oder Teilbatterie und der j-ten Eingangsklemme des ersten Selektionsnetzwerkes 2 durch die BeziehungIn Fig. 3, the circuit arrangement is illustrated of a specific embodiment which is provided for the analysis and the recharging of a maximum of 40 cells or sub-batteries. If k input terminals of the selection network 2 consisting of relays with four work contacts each are numbered consecutively in the manner shown and n indicates the number of cells or sub-batteries actually present, the connection assignment between the i-th negative pole terminal of a cell or sub-battery and the j- th input terminal of the first selection network 2 by the relationship
i = 1 + (((j-1)MOD4) * d) + ((j-1)DIV4) (1)i = 1 + (((j-1) MOD4) * d) + ((j-1) DIV4) (1)
gegeben, wobei für d gilt:given, where for d applies:
d = (n + 3)DIV4 (2).d = (n + 3) DIV4 (2).
Die Anzahl der mindestens benötigten Relais beträgt d + 1. Der Batterieklemmenindex i = n + 1 gehört zur negativen Klemme der nicht vorhandenen n + ersten Zelle oder Teilbatterie und bezeichnet die positive Klemme der n-ten Zelle oder Teilbatterie.The minimum number of relays required is d + 1. The Battery terminal index i = n + 1 does not belong to the negative terminal existing n + first cell or sub-battery and denotes the positive terminal of the nth cell or sub-battery.
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 besteht aus zwei vierpoligen Relais 5.1 und 5.2, die so geschaltet sind, daß aus den vier Doppelleitungen 3.1 bis 3.4 zwei ausgewählt werden können. Die Relais 5.3 bis 5.5 gestatten die polrichtige Anschaltung der Nachladeeinrichtung 4 an eine der mit den Relais 5.1 oder 5.2 ausgewählten Doppelleitungen.The second selection network 5 consists of two four-pole relays 5.1 and 5.2 , which are switched so that two can be selected from the four double lines 3.1 to 3.4 . The relays 5.3 to 5.5 allow the correct connection of the recharging device 4 to one of the double lines selected with the relays 5.1 or 5.2 .
Die Filterbaugruppe 8 enthält für jede dieser zwei Doppelleitungen ein RC-Filter mit untereinander gleichen Widerständen 8.1 und den Kondensatoren 8.2. Das dritte Selektionsnetzwerk 9 besteht lediglich aus einem Relais mit zwei Wechselkontakten. Die Spannungsmeßvorrichtung 10 enthält zwei gleiche Strombegrenzungswiderstände 13, vier Begrenzungsdioden 15 mit kleinem Leckstrom, zwei Symmetrierwiderstände 14, einen Filterkondensator 19, einen Operationsverstärker 18, einen Rückkopplungswiderstand 16 und einen Erdungswiderstand 17. Einer der in Reihe geschalteten Symmetrierwiderstände 14 ist mit einer für die Funktion des ADC erforderlichen, hier jedoch nicht näher betrachteten Referenzspannung Uref verbunden, und es ist die Ausgangsspannung Uc mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden.The filter module 8 contains an RC filter with mutually identical resistors 8.1 and the capacitors 8.2 for each of these two double lines. The third selection network 9 consists only of a relay with two changeover contacts. The voltage measuring device 10 contains two identical current limiting resistors 13 , four limiting diodes 15 with a small leakage current, two balancing resistors 14 , a filter capacitor 19 , an operational amplifier 18 , a feedback resistor 16 and a ground resistor 17 . One of the balancing resistors 14 connected in series is connected to a reference voltage Uref required for the function of the ADC, but not considered here in detail, and the output voltage Uc is connected to an analog input of the microcontroller 7 .
Die Gesamtfunktion der Einrichtung kann entsprechend der weiter oben angegebenen Zielstellung in die folgenden Komponenten gegliedert werden:The overall function of the facility can be according to the above specified objective divided into the following components become:
- 1. Zyklisch fortwährende Analyse des Ladezustandes der einzelnen Zellen- oder Teilbatterien,1. Cyclical continuous analysis of the state of charge of the individual Cell or sub-batteries,
- 2. bedarfsgerechtes Nachladen einzelner Zellen oder Teilbatterien,2. need-based recharging of individual cells or partial batteries,
- 3. Schutz- und Überwachungsfunktionen mit Strommessung,3. Protection and monitoring functions with current measurement,
- 4. Bedienung und Anzeige/Ausgabe von wählbaren Analyseergebnissen.4. Operation and display / output of selectable analysis results.
Für die vorliegende Erfindung sind dabei zwei Grundoperationen von besonderem Interesse. Diese werden im folgenden beschrieben:For the present invention there are two basic operations of of special interest. These are described below:
- - Messung der Klemmenspannung der selektierten Zelle oder Teilbatterie,- measurement of the terminal voltage of the selected cell or partial battery,
- - Nachladung einer ausgewählten Zelle.- Reloading a selected cell.
Voraussetzung für beide Operationen ist die beschriebene Einrichtung zur Selektion einer Zelle oder Teilbatterie.The described setup is a prerequisite for both operations for the selection of a cell or partial battery.
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird Relais 9 durch den Microcontroller so angesteuert, daß der für die anschließende Spannungsmessung nicht interessierende Kondensator 8.2 mit dem Eingang der Spannungsmeßeinrichtung 10 verbunden ist. Danach werden zwei benachbarte Relais 2.i, 2. (i+1) und eines der Relais 5.1 bis 5.2, so vom Microcontroller angesteuert, daß der nicht mit dem Eingang der Spannungsmeßeinrichtung 10 verbundene Kondensator 8.2 mit der zu messenden Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Dieser aktuelle Meßkondensator lädt sich über die Strombegrenzungswiderstände 8.1 auf den Wert der zu messenden Klemmenspannung unverfälscht auf, da er nicht über die Eingangswiderstände 13 mit dem Eingang der Spannungsmeßeinrichtung 10 verbunden ist. Somit kann beim anschließenden - technisch real nicht zeitsynchronen - Öffnen der Kontakte des Relais 5.1 oder 5.2 auch kurzzeitig kein einer möglichen, relativ hohen Gleichtaktspannung entsprechender Fehlerstrom über die Widerstände 13 zu einer Ladungsverschiebung im aktuellen Meßkondensator 8.2 führen.First, all relays are de-energized. Then the relay 9 is controlled by the microcontroller so that the capacitor 8.2 which is not of interest for the subsequent voltage measurement is connected to the input of the voltage measuring device 10 . Then two adjacent relays 2. i, 2. (i + 1) and one of the relays 5.1 to 5.2 are controlled by the microcontroller such that the capacitor 8.2 not connected to the input of the voltage measuring device 10 is connected to the cell or sub-battery to be measured . This current measuring capacitor charges itself unadulterated via the current limiting resistors 8.1 to the value of the terminal voltage to be measured, since it is not connected to the input of the voltage measuring device 10 via the input resistors 13 . Thus, when the contacts of the relay 5.1 or 5.2 are subsequently opened, which is technically not time-synchronous for a short time, no fault current corresponding to a possible, relatively high common mode voltage via the resistors 13 can lead to a charge shift in the current measuring capacitor 8.2 .
Nach dem controllergesteuerten Öffnen der Kontakte von Relais 5.1 oder 5.2 wird Relais 9 umgeschaltet, so daß der aktuelle Meßkondensator mit dem Eingang der Spannungsmeßeinrichtung 10 verbunden ist und nach Ablauf einer durch die Zeitkonstante R14/2-C19 der Slew-Rate des Operationsverstärkers 19 und einer, möglicherweise infolge hoher Gleichtaktspannung an den Widerständen 13 unmittelbar zuvor verursachten Übersteuerung des Operationsverstärkers bestimmten Übergangszeit am Ausgang Uc eine der zu messenden Zellen- oder Teilbatteriespannung entsprechende Ausgangsspannung zum Einlesen durch den Microcontroller zur Verfügung steht.After the controller-controlled opening of the contacts of relay 5.1 or 5.2 , relay 9 is switched over, so that the current measuring capacitor is connected to the input of voltage measuring device 10 and, after a time constant R14 / 2-C19, the slew rate of operational amplifier 19 and one , possibly due to high common mode voltage at the resistors 13 immediately before overdriving of the operational amplifier caused a certain transition time at the output Uc an output voltage corresponding to the cell or partial battery voltage to be measured is available for reading by the microcontroller.
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird mit den Relais 2, 5.1 oder 5.2 und dem Relais 5.3 ein solcher Strompfad geschaffen, daß die Wechselkontakte von Relais 5.3 mit der nachzuladenden Zelle oder Teilbatterie verbunden sind. Bis zu diesem Zeitpunkt schalten alle Relais im stromlosen Zustand. Dann wird entsprechend der Polarität das Relais 5.4 oder 5.5 zugeschaltet, wodurch der Ausgang der Nachladeeinrichtung 4 mit der adressierten Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Wenn die Strom- oder Spannungsquelle der Nachladeeinrichtung 4 nicht vom Microcontroller auftastbar ist, so schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 den Ladestrom ein, bei elektronischer Auftastung des Batterieladegerätes schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 stets lastfrei. Die Abschaltung des Ladestromes erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, so daß in jedem Falle nur Relais 5.4 oder 5.5 unter Last schaltet.First, all relays are de-energized. Then such a current path is created with the relays 2 , 5.1 or 5.2 and the relay 5.3 that the changeover contacts of relay 5.3 are connected to the cell or sub-battery to be recharged. Up to this point, all relays switch in the de-energized state. Then the relay 5.4 or 5.5 is switched on according to the polarity, whereby the output of the recharging device 4 is connected to the addressed cell or sub-battery. If the current or voltage source of the recharging device 4 cannot be sensed by the microcontroller, relay 5.4 or 5.5 switches on the charging current; when the battery charger is electronically sensed, relay 5.4 or 5.5 always switches without load. The charging current is switched off in the reverse order, so that in any case only relays 5.4 or 5.5 switch under load.
Die Spannungsmeßeinrichtung 10 erzeugt ein Ladestromsteuersignal für die Nachladeeinrichtung 4. Dieses Ladestromsteuersignal wird von dem Regelalgorithmus der Spannungsmeßeinrichtung 10 so berechnet, daß die Spannung der Zelle mit der jeweils höchsten Klemmenspannung auf der Höhe eines gewünschten Spannungswertes, vorzugsweise auf dem zum jeweiligen Zeitpunkt gehörenden Spannungsgrenzwert einer vom Batteriehersteller für den verwendeten Zellentyp als optimal empfohlenen Ladekennlinie, geführt und gehalten wird.The voltage measuring device 10 generates a charging current control signal for the recharging device 4 . This charging current control signal is calculated by the control algorithm of the voltage measuring device 10 in such a way that the voltage of the cell with the highest terminal voltage in each case is at the level of a desired voltage value, preferably at the respective voltage limit value of a charging characteristic curve recommended by the battery manufacturer for the cell type used as optimally recommended and is held.
Um sicherzustellen, daß es bei dem relativ komplizierten Ablauf und der Vielzahl von beteiligten Relaiskontakten zu keiner Havarie und insbesondere zu keinen Kurzschlußschaltungen kommen kann, wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß sämtliche Leitungen der Doppelleitungen 3 in einer Überwachungsbaugruppe 7 zu einem Analogwert verdichtet werden, der vom Microcontroller gelesen werden kann. Das Bezugspotential des Microcontrollers (Groundpotential für Analogmessung) für diese Messung ist der Minuspol der Batterie. In dieser Baugruppe wird jede der Doppelleitungen mit je einer Anode einer hochsperrenden Diode verbunden, deren Kathoden parallel geschaltet und mit dem Eingang eines Spannungsteilers verbunden sind, an dessem Ausgang die als Analogwert UO vorliegende Leitungs zustandsinformation vom Microcontroller eingelesen werden kann. Mit dieser Anordnung ist jeweils das höchste positive Potential auf den Doppelleitungen 3 erfaßbar. Die Überwachungsbaugruppe kann auch aus einem Widerstandsnetzwerk bestehen, wodurch bei Verwendung von Präzisionswiderständen ein Leitungszustandssignal mit höherem Informationsgehalt bereitsteht.In order to ensure that it can at the relatively complicated process and the plurality of participating relay contacts with no accident and in particular no short-circuits occur, according to the invention the procedure is such that all the lines of the double lines are compressed 3 in a monitoring assembly 7 to an analog value by the Microcontroller can be read. The reference potential of the microcontroller (ground potential for analog measurement) for this measurement is the negative pole of the battery. In this assembly, each of the double lines is connected to an anode of a high-blocking diode, the cathodes of which are connected in parallel and connected to the input of a voltage divider, at whose output the line status information available as analog value UO can be read by the microcontroller. With this arrangement, the highest positive potential can be detected on the double lines 3 . The monitoring module can also consist of a resistance network, whereby a line status signal with a higher information content is available when using precision resistors.
Vor jedem Zuschalten eines beliebigen Relais der Baugruppe 3 kann somit vom Microcontroller geprüft werden, ob die Spannungspegel auf den Leitungen den Erwartungen entsprechen, so daß bei Abweichungen eine Information über das vermutlich defekte Relais ausgegeben werden kann.Before each relay of module 3 is switched on , the microcontroller can thus check whether the voltage levels on the lines correspond to expectations, so that information about the presumably defective relay can be output in the event of deviations.
Wird der Shunt 11 vom Entlade- oder Rekuperationsstrom durchflossen, so entsteht an seiner mit dem Meßeingang verbundenen Klemme gegenüber dem Minuspol der Batterie bzw. dem Nullpunkt des Strom meßsystems 12 eine je nach Stromrichtung gepolte Spannung. Je einer der mit dem Shunt verbundenen Operationsverstärker wird dadurch entweder übersteuert oder liefert an seinem Ausgang eine dem Strom proportionale Spannung. Da beide Verstärkerausgänge IB und IF dem Microcontroller 7 zugeführt werden, kann dieser erkennen, in welcher Richtung der Strom fließt und welche Größe er hat.If the shunt 11 is discharged by the discharge or recuperation current, a voltage which is polarized depending on the current direction arises at its terminal connected to the measuring input opposite the negative pole of the battery or the zero point of the current measuring system 12 . One of the operational amplifiers connected to the shunt is either overloaded or supplies a voltage proportional to the current at its output. Since both amplifier outputs IB and IF are fed to the microcontroller 7 , the latter can recognize the direction in which the current flows and what size it is.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst die Klemmenspannungen aller Batteriezellen gemessen, und es wird diejenige Batteriezelle mit höchster Klemmenspannung ermittelt. Daraufhin wird die Gesamtbatterie mit dem vom Batteriehersteller als optimal empfohlenen Ladestromverlauf für eine Einzelzelle mit diesem Ladestromverlauf für die Zelle mit höchster Klemmenspannung geladen. In the method according to the invention, the Terminal voltages of all battery cells are measured, and it becomes one Battery cell determined with the highest terminal voltage. Thereupon will the total battery with that from the battery manufacturer as optimal recommended charging current profile for a single cell with this Charging current curve for the cell charged with the highest terminal voltage.
Dadurch wird sichergestellt, daß keine Batteriezelle in ungünstiger Weise überladen wird.This ensures that no battery cell is at a disadvantage Way is overloaded.
Da bei diesem Ladeverfahren die anderen Batteriezellen u. U. nicht voll geladen werden, können diese Batteriezellen einzeln während oder nach der Hauptladung mit Hilfe der Nachladeeinrichtung 4 unter Ausschluß der Batteriezelle mit höchster Klemmenspannung nachgeladen werden.Since the other battery cells u. U. are not fully charged, these battery cells can be recharged individually during or after the main charge with the help of the recharging device 4, with the battery cell being excluded with the highest terminal voltage.
Vorzugsweise werden mit Hilfe der potentialfreien Nachladeeinrichtung 4 die mit Hilfe des zweiten Selektionsnetzwerkes 5 mit jeweils einer der Doppelleitungen schaltbar verbunden werden kann, Zellen mit niedrigerer Klemmenspannung während oder nach der Ladung der Gesamtbatterie einzeln oder nacheinander und entsprechend ihrer von der Spannungsmeßeinrichtung 10 ermittelten Ladungsaufnahmefähigkeit nachgeladen.Preferably, with the aid of the potential-free recharging device 4, which can be connected to one of the double lines with the aid of the second selection network 5 , cells with a lower terminal voltage are recharged individually or in succession during or after the charging of the entire battery and in accordance with their charge absorption capacity determined by the voltage measuring device 10 .
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