DE60310306T2

DE60310306T2 - Verfahren zum Vergleichmässigen des Ladezustands der Zellen einer Batterieanordnung während des Ladens

Info

Publication number: DE60310306T2
Application number: DE60310306T
Authority: DE
Inventors: Jose Allen Formenti; Garry R. Rowlett Elder
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: EP1367688A1; JP2004007983A; US20030222620A1; US6700350B2; DE60310306D1; US20030222619A1; EP1367688B1; US6812671B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf Batterieladeverfahren und -vorrichtungen, und insbesondere auf das Laden von Batterieanordnungen mit mehreren Batteriezellen. Die vorliegende Erfindung ist besonders in Verbindung mit dem Ausgleichen einzelner Zellen während des Ladens von Mehrfachzellen-Batterieanordnungen nützlich, einschließlich Lithiumionen- oder Lithiumpolymer-Batteriegebinden.
Viele Systeme verwenden Batterien, die als Batteriegebinde oder -anordnungen ausgeführt sind, welche mehrere einzelne, hintereinander geschalteten Batteriezellen haben. Beispielsweise in Systemen, bei denen die Gebrauchszeit zu maximieren ist und man Li-Ionen-(Lithiumionen-) oder Li-Polymerchemie verwenden muss, trifft man eine solche Konfiguration häufig an. Die Batterieanordnungen können zwei Zellen umfassen (z.B. für Verbraucherprodukte wie etwa Camcorder oder Kameras), und bis zu vier oder mehr Zellen (z.B. für Notebook-Computer der Spitzenklasse). Bei Mehrzellen-Batterieanordnungen, wie z.B. Li-Ionen-Batteriegebinde mit hintereinander geschalteten Zellen, ist die Coulomb-Gesamtkapazität des Batteriegebindes durch die Zelle begrenzt, die die geringste Kapazität hat. Im Ergebnis hängt die Energiekapazität eines Batteriegebindes davon ab, wie eng die einzelnen Zellenspannungen beieinander liegen. Nichtübereinstimmungen von Zellen in der Höhe von 100 mV (Millivolt) können die Energiekapazität des Batteriegebindes um mehr als 10 % herabsetzen.
Solche Nichtübereinstimmungen zwischen Zellen können sich bei der Herstellung oder während der Prozesse des Ladens und Entladens der Batterieanordnung einschleichen. Die werksseitige Herstellung der Zelle lässt sich in so engen Grenzen steuern, dass sich für Li-Ionen-Zellen Kapazitätsunterschiede zwischen Zellen in einer Batterieanordnung ergeben, die innerhalb von 50 mV liegen. Es können sich aber ein Zellenungleichgewicht oder eine Nichtübereinstimmung zwischen Zellen durch eine ganze Reihe von Faktoren einschleichen, die von der werksseitigen Erstabstimmung unabhängig sind. Diese Faktoren, die zu einem Zellenungleichgewicht beitragen, umfassen beispielshalber Schwankungen bezüglich der Chemie einzelner Zellen, die Zellenimpedanz, Selbstentladungsraten, das Nachlassen der Kapazität, die Betriebstemperatur sowie andere veränderliche Größen zwischen jeweiligen einzelnen Zellen. Abweichungen in der Zellentemperatur sind eine entscheidende Ursache für eine Nichtübereinstimmung zwischen Zellen, die sich relativ häufig bei Produkten mit hoher Bauteiledichte findet, welche über mehrere einzelne Wärmequellen verfügen, die nahe am Batteriegebinde sitzen. So kann z.B. ein Temperaturunterschied von 20 °C ein Spannungsgefälle zwischen Zellen verursachen, das in einem Ladezyklus bis zu 100 mV beträgt. Ein Beispiel ein solches Produkt ist ein Notebook-Computer.
Wegen der verschiedenen, sich aus Zellenunterschieden ergebenden Problemen ist der Zellenausgleich während des Ladens eines Batteriegebindes ein wichtiger Faktor bei der Maximierung der Energiekapazität des Batteriegebindes. Zur Zeit werden zwei Verfahren eingesetzt, um während des Ladens von Batteriegebinden mit mehreren Zellen einen Ausgleich zwischen diesen zu bewerkstelligen.
Ein gegenwärtig im Einsatz befindliches Verfahren beinhaltet eine differenzielle Zellenmessung. Mittels der differenziellen Zellenmessung werden während des Ladens einzelne Zellenspannungen abgetastet und unterschiedliche Zellenspannungen berechnet. Bei Erfassung eines großen Spannungsunterschieds wird das Laden unterbrochen und einzelne Zellen werden gezielt in entsprechender Weise entladen, um einen Ausgleich zwischen ihnen zu erlangen. Dieser Lösungsansatz mit der differenziellen Zellenmessung ermöglicht einen genauen Zellenausgleich, aber zur Durchführung des Verfahrens sind eine komplexe Schaltungsanordnung sowie eine komplizierte Vorgehensweise erforderlich. Zur praktischen Ausführung einer differenziellen Zellenmessung sind z.B. der Einsatz einer Zellenspannungsumwandlung, einer A/D-Umwandlung (Analog/Digital-Umwandlung) sowie viele arithmetische Operationen erforderlich. Wegen der für die praktische Ausführung des Verfahrens nötigen Komplexität der Geräteausrüstung und der Berechnungen ist eine differenzielle Zellenmessung üblicherweise beim Einsatz zum Zellenausgleich in teueren Produkten der Spitzenklasse anzutreffen, die zum Messen von Spannungen eine analoge Vorschalt-IC (IC = integrierte Schaltung) im Zusammenspiel mit einem auf einem Mikrocontroller oder einer CPU (CPU = zentrale Verarbeitungseinheit) beruhenden Auswertungssystem umfassen.
Ein zweites, derzeit verwendetes Verfahren zum Ausgleichen von Zellen beim Laden von Batteriegebinden mit mehreren Zellen ist ein massebezogenes Verfahren mit festem Schwellwert. Mittels eines derartigen Verfahrens mit festem Schwellwert wird eine Zelle, wenn sie einen ersten vorbestimmten Schwellwert erreicht, auf einen zweiten, niedrigeren Schwellwert entladen. Der zweite Schwellwert ist üblicherweise ein fester Schwellwert, der auf eine Spannung eingestellt wird, die größer oder gleich der Sollspannung oder geregelten Spannung des Batteriegebindes ist. Bezüglich der Geräteausstattung und praktischen Ausführung ist das Verfahren mit festem Schwellwert weniger aufwändig als das oben beschriebene Verfahren mit der differenziellen Zellenmessung; es kann jedoch an einer geringeren Genauigkeit leiden und auch Ladezeiten erforderlich machen, die beträchtlich länger sind als diejenigen, die man bei Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens der differenziellen Zellenmessung antrifft. Die Wahrscheinlichkeit für längere Ladezeiten ist insbesondere dann hoch, wenn der ursprüngliche Spannungsunterschied zwischen den Zellen groß ist.
Sowohl beim Verfahren mit der differenziellen Zellenmessung als auch bei demjenigen mit festem Schwellwert, muss ein systemseitiges Ladegerät von dem Host-Produkt gesteuert werden, das es im Batteriegebinde lädt, um eine falsche Beendigung des Ladens während des Abtastens oder Intervallen, in denen ein Zellenausgleich stattfindet, zu verhindern.
Es besteht ein Bedarf an einem kostengünstigen, genauen Zellenausgleichsverfahren, bei dem die Ladezeiten nicht beträchtlich in die Länge gezogen werden.
Besonderer Bedarf besteht an einem kostengünstigen Zellenausgleichsverfahren der Art, bei der keine Steuerung durch oder Kommunikation mit dem Host-Gerät erforderlich ist, das geladen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wie es in den Ansprüchen dargelegt ist.
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Elemente unter Verwendung von gleichen Bezugszahlen in den verschiedenen, die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung darstellenden Figuren gekennzeichnet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Grafikdiagramm eines repräsentativen Ladeverlaufs, in dem der Ladestrom und die Zellenspannung in Bezug auf die Zeit dargestellt sind, und das einen Überblick über das Verfahren der vorliegenden Erfindung gibt.
2 ist ein Schemadiagramm, das repräsentative Zellenausgleichsstufen darstellt, die bei Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
3 ist ein Grafikdiagramm, das in einer repräsentativen praktischen Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Zellenspannung als Funktion der Zeit darstellt, und zwar für einen Zellenausgleich einer Batterieanordnung in einer ersten Zellenausgleichsbetriebsart, wie sie in 1 dargestellt ist.
4 ist ein Grafikdiagramm, das in einer repräsentativen praktischen Ausführung des Verfahren der vorliegenden Erfindung die Zellenspannung als Funktion der Zeit darstellt, und zwar für das Ausgleichen von Zellen in einer Batterieanordnung in einer zweiten, wie in 1 dargestellten Ladebetriebsart.
5 ist ein Grafikdiagramm, das in einer repräsentativen praktischen Ausführung des Verfahren der vorliegenden Erfindung die Zellenspannung als Funktion der Zeit darstellt, und zwar für den Zellenausgleich in einer Batterieanordnung in einer wie in 1 dargestellten dritten Zellenausgleichsbetriebsart.
6 ist ein Flussdiagramm, das die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 ist ein schematischer Schaltplan, in dem eine erste Ausführungsform der Ladevorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
8 ist ein schematischer Schaltplan, in dem eine zweite Ausführungsform der Ladevorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 ist ein Grafikdiagramm eines repräsentativen Ladeverlaufs, in dem der Ladestrom und die Zellenspannung in Bezug auf die Zeit dargestellt sind, und das einen Überblick über das Verfahren der vorliegenden Erfindung gibt. In 1 ist ein grafische 10 mit einer ersten Achse 12 bereitgestellt, die den Ladestrom/die Zellenspannung darstellt, und einer zweiten Achse 14, die die Zeit darstellt. Eine Kurve 16 stellt die Zellenspannung (für eine repräsentative Zelle in einer Mehrzellen-Batterieanordnung) als Funktion der Zeit dar. Eine Kurve 18 stellt den Ladestrom als Funktion der Zeit dar. Die Kurve 18 hat einen Abnahmeabschnitt 19, der denjenigen Teil des Ladezyklus darstellt, bei dem der Ladestrom stark abnimmt, während die Zellenspannung deutlich zunimmt. Zwei Abnahmeabschnitte 19, 19a stellen so einen Abnahmeeffekt für zwei repräsentative Zellen in einer Batterieanordnung dar. Die grafische 10 ist in drei Bereiche geteilt: Bereich 1, Bereich 2 und Bereich 3. Bereich 1 erstreckt sich über ein Zeitintervall vom Zeitpunkt t₀ zum Zeitpunkt t₁. Bereich 2 erstreckt sich über ein Zeitintervall vom Zeitpunkt t₁ zum Zeitpunkt t₂. Bereich 3 erstreckt sich über Zeitdauern vom Zeitpunkt t₂ zu späteren Zeitpunkten. Bereich 1 stellt einen Teil eines Ladezyklus dar, bei dem die Batterieanordnung im Wesentlichen entleert ist und über eine sehr geringe Ladung oder gar keine Ladung verfügt. Im Bereich 1 ist dV/dQ der Zelle (Veränderung der Spannung pro Veränderung der Ladung) auf einem Höchstwert, die Zellenspannung (Kurve 16) steigt deutlich an und der Ladestrom (Kurve 18) liegt auf einem Minimalpegel. Bereich 2 stellt einen Teil eines Ladezyklus dar, bei dem die Batterieanordnung ein mittleres Ladeniveau hat. Im Bereich 2 ist dV/dQ der Zelle minimal, die Zellenspannung (Kurve 16) steigt gering bis moderat an, und der Ladestrom (Kurve 18) ist auf einem Maximalpegel. Bereich 2 stellt die Hauptladezeitperiode des repräsentativen, durch die grafische 10 dargestellten Ladezyklus einer Batterieanordnung dar. Bereich 3 stellt einen Teil eines Ladezyklus dar, bei dem die Batterieanordnung ein hohes Ladeniveau hat. Im Bereich 3 ist dV/dQ der Zelle auf einem Höchstwert, und der Ladestrom (Kurve 18) beginnt abzusinken, sobald eine Zelle ihre jeweilige Sollspannung (oder Regelspannung; oder geregelte Spannung) erreicht. Eine solche Abnahme ist in 1 im Abnahmeabschnitt 19 für eine sich gerade im Ladezustand befindliche Zelle der Batterieanordnung angegeben, und im Abnahmeabschnitt 19a für eine zweite sich im Ladezustand befindliche Zelle der Batterieanordnung.
Die jeweiligen Zeitspannen von Bereich 1 (Intervall t₀–t₁), Bereich 2 (Intervall t₁–t₂) und Bereich 3 (Intervall t₂ bis zu späteren Zeitpunkten) hängen vom Ladeniveau der Batterie (oder des Batteriegebindes) ab, die/das sich im Ladezustand befindet. Somit kann man die Zeitspanne eines Ladevorgangs, oder das Intervall von Bereich 1, Bereich 2 oder Bereich 3 in die Länge ziehen, indem man den Ladezustand des Batteriegebindes, das gerade aufgeladen wird, verändert. Die Einstellung jeweiliger Ladezustände verschiedener Batteriezellen in einem Batteriegebinde wird dazu eingesetzt, einen Ausgleich zwischen jeweiligen Batteriezellen zu erreichen, wobei sich dabei aber auch die Gesamtladezeit verlängern kann, die gebraucht wird, um das Batteriegebinde in einen Vollladezustand zu bringen.
Ein gebräuchlicher Lösungsansatz zum ausgeglichenen Laden schließt das Ausführen einer Zellenabtastung während des Ladens mit ein, um festzustellen, welche Zellen nicht übereinstimmen, und beinhaltet das Entladen ausgewählter Zellen zur Reduzierung der Zellenunterschiede, die man während der Abtastung feststellt. Die Durchführung von derartigen Zellenabtastungs- und -entladevorgängen unter Beaufschlagung der Batterieanordnung mit dem vollen Ladestrom (z.B. im Bereich 2; 1) bietet keinen effektiven Zellenausgleich. Und zwar ist das so, weil die an einer Zelle gemessene Spannung einen Spannungsanteil enthält, der von der Impedanz der gerade bewerteten Zelle beigesteuert wird, plus der eigentlichen Zellenspannung. Impedanzunterschiede zwischen einzelnen Zellen kommen häufig vor, und diese Unterschiede tragen dann auch zu Fehlern bei den für Zellen gemessenen Spannungen bei. Eine günstigere Herangehensweise, die genauere Zellenspannungsmesswerte ergibt, besteht darin, die Zellenabtastungs- und -entladevorgänge nach Sperrung oder Unterbrechung des Ladestroms durchzuführen. Der Ladevorgang wird also für eine bestimmte Dauer unterbrochen, um das Abtasten von Zellen und das zielgerichtete Entladen von diesen zu gestatten, um die Unterschiede zu reduzieren, die man während der Abtastung entdeckt hat. Eine derartige Sperrung des Ladens beseitigt den Beitrag der Zellenimpedanz zu den Zellenspannungsmesswerten und ergibt genauere Angaben von Zellenunterschieden. Ein Problem stellt sich in Ladesystemen, in denen ein Ladegerät nicht mitbekommt, dass das Laden absichtlich unterbrochen wird, beispielsweise in Systemen, bei denen das sich im Ladezustand befindliche Host-Gerät mit dem Ladegerät nicht in Datenverbindung steht. In so einem Fall kann das Ladegerät einen abnehmenden Strom erfassen (z.B. Abnahmeabschnitte 19, 19a; 1) oder auch einen Zustand mit nicht angeschlossener Batterie, was dazu führt, dass das Ladegerät das Laden vorzeitig und irrtümlicherweise beendet.
1 stellt die Zusammenhänge zwischen dem Ladestrom, der Ladespannung und der Zeit beim Laden einer Batterie dar. Die Abgrenzung von Bereich 1, Bereich 2 und Bereich 3 in Bezug auf Zeitintervalle setzt voraus, dass man beispielsweise eine Batterie, um sie zu laden, ununterbrochen mit einem Ladestrom beaufschlagt. Der Vorteil, den das Verfahren der vorliegenden Erfindung bietet, ist in 1 in der Übersicht dargestellt. Ein wichtiges Merkmal des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Zellenausgleich unter Zellen in einer Batterieanordnung zu bewirken, bevor man von einem der Bereiche 1 bis 3 zu einem anderen der Bereiche 1 bis 3 gelangt. Das heißt, dass der Antriebsimpuls zur Ausübung der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung weder die Zeit noch der Ladestrom ist. Der Antriebsimpuls zur Ausübung der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen vorbestimmten Ausgleichsgrad zwischen Zellen in der Batterieanordnung in einem der Bereiche 1, 2 oder 3 zu erreichen, bevor man in einen nächsten Bereich 1, 2 oder 3 gelangt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden also Schwellwerte festgelegt, die bei der Bestimmung verwendet werden, ob unter den Zellen ein ausreichender Ausgleich erreicht ist, bevor man in einen nächsten Bereich der Bereiche 1, 2 oder 3 gelangt. Die Schwellwerte sind vorzugsweise Spannungsschwellwerte, die mittels eines Zellenausgleichsalgorithmus behandelt werden, um zu bestimmen, ob zwischen den Zellen ein gewünschter Ausgleich erreicht ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist auch in Betracht gezogen, dass zur Bewerkstelligung des gewünschten Zellenausgleichs in verschiedenen Bereichen auch verschiedene Zellenausgleichsalgorithmen verwendet werden können.
In Bereich 1 werden ein zu Bereich 1 gehörender unterer Spannungsschwellwert R1THL und ein zu Bereich 1 gehörender höherer Spannungsschwellwert R1THH festgelegt. In Bereich 2 werden ein zu Bereich 2 gehörender unterer Spannungsschwellwert R2THL und ein zu Bereich 2 gehörender höherer Spannungsschwellwert R2THH festgelegt. In Bereich 3, der nachfolgend ausführlicher in Verbindung mit 5 beschrieben werden wird, können Spannungsschwellwerte dynamisch verschoben werden, um der Erreichung einer geregelten Spannung für alle Zellen in der Batterieanordnung näher zu kommen. Somit sind in Bereich 3 ein erster unterer, zu Bereich 3 gehörender Spannungsschwellwert R3THL1 und ein erster höherer, zu Bereich 3 gehörender Spannungsschwellwert R3THH1 festgelegt. Die zu Bereich 3 gehörenden Spannungsschwellwerte R3THL1, R3THH1 können während des Ladens viele Male iterativ und dynamisch verschoben werden, was dadurch angegeben ist, dass auch ein n-ter unterer, zu Bereich 3 gehörender Spannungsschwellwert R3THLn und ein n-ter höherer, zu Bereich 3 gehörender Spannungsschwellwert R3THHn festgelegt ist. Die Verwendung des Ausdrucks „n" soll anzeigen, dass es keine bestimmte Grenze für die Zahl der iterativen Festlegungen für die zu Bereich 3 gehörenden Spannungsschwellwerte R3THLn, R3THHn bei der praktischen Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gibt. Natürlich kann man auch in Betracht ziehen, dass die Ladezeit einen Parameter darstellt, der von Wichtigkeit ist. In so einem Fall kann man die Anzahl iterativer Festlegungen für die zu Bereich 3 gehörenden Spannungsschwellwerte R3THLn, R3THHn durch bestimmte Maßnahmen begrenzen, wie etwa die Beschränkung von „n" auf eine vorbestimmte Zahl, durch Vorgabe eines Zeitlimits für das Fortschreiten zu einer nachfolgenden Verfahrensstufe, oder durch irgendwelche anderen Maßnahmen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass man für ausgewählte Zellen der Batterieanordnung (vorzugsweise für alle Zellen in der Batterieanordnung) hinsichtlich der im Bereich 1 gültigen Spannungsschwellwerte R1THL, R1THH vorbestimmte Kriterien erfüllt, bevor ein Zellenausgleichsverfahren (Kurve 18; 1) ausgewählt wird, das im Bereich 2 arbeiten soll. Der Zellenausgleichsalgorithmus, der zur Herbeiführung eines Zellenausgleichs eingesetzt wird, steuert effektiv die am Ladegerät bestehende Last. Dieses effektive Steuern einer am Ladegerät bestehenden Last wird ausgeführt, indem ein langsameres Laden ausgewählter Zellen bewirkt wird, während es anderen Zellen gestattet ist, weiterhin mit einem höheren Ladegrad aufgeladen zu werden. Das heißt also, dass der Zellenausgleichsalgorithmus die am Ladegerät bestehende Last in einer Weise konfiguriert, die dazu führt, dass das Ladegerät weiterhin einen Ladezustand in der Batteriezellenanordnung wahrnimmt, die mit einem wie in Bereich 1 aufgebrachten Ladestrom zu behandeln ist, oder einen Ladezustand in der Batteriezellenanordnung wahrnimmt, die mit einem wie in Bereich 2 aufgebrachten Ladestrom behandelt werden soll.
In entsprechender Weise wird ein Zellenausgleichsalgorithmus eingesetzt (nicht notwendigerweise derselbe Zellenausgleichsalgorithmus, wie er in Verbindung mit Bereich 1 verwendet wird), um hinsichtlich der für Bereich 2 geltenden Spannungsschwellwerte R2THL, R2THH vorbestimmte Kriterien für ausgewählte Zellen der Batterieanordnung (vorzugsweise für alle Zellen in der Batterieanordnung) zu erlangen, bevor ein Zellenausgleichsverfahren gewählt wird, das im Bereich 3 arbeiten soll. Darüber hinaus verwendet man einen Zellenausgleichsalgorithmus (nicht notwendigerweise denselben Zellenausgleichsalgorithmus, wie er in Verbindung mit Bereich 1 oder Bereich 2 verwendet wird), um hinsichtlich der für den Bereich 3 geltenden Spannungsschwellwerte R2THLn, R3THHn vorbestimmte Kriterien für ausgewählte Zellen der Batterieanordnung (vorzugsweise für alle Zellen in der Batterieanordnung) zu erlangen, bevor der Zellenausgleich beendet wird.
2 ist ein schematisches Diagramm, in dem repräsentative Ladestufen dargestellt sind, die bei der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In 2 stellt eine Zeitlinie 30 das zeitliche Auftreten von Stufen oder Betriebsarten 32 in einem Ladeprozess dar, sowie auch die zeitliche Schwankung eines Spannungsabtastsignals 34. Der in 2 dargestellte Ladeprozess befindet sich in einem Zeitraum vor dem frühesten, in 2 dargestellten Zeitpunkt bis zu einem Zeitpunkt t₁ in einer Ladestufe. Zum Zeitpunkt t₁ tritt der Ladeprozess in eine Entspannungsstufe ein. Während der Entspannungsstufe wird die Batterieanordnung vom Ladegerät nicht mit einem Schnellladestrom (Kurve 18; 1) beaufschlagt, so dass sich jeglicher Ladestrom auf einen Wert vom im Wesentlichen Null abschwächen kann. Auf diese Weise vermeidet man, dass sich in die Messung von Zellenunterschieden ein Fehler einschleicht, der sich aus dem Ladestrom ergibt, der eine jeweilige Zellenimpedanz durchläuft, wie vorstehend in Verbindung mit 1 erläutert wurde. Für ein Abtastintervall mit einer Dauer t_s wird das Spannungsabtastsignal 34 während des Intervalls t₂–t₃ gepulst, was ein Abtasten der Zellenspannung zum Zeitpunkt t₃ bewirkt. Zum Zeitpunkt t₃, wenn die Zellenabtastung abgeschlossen ist, tritt der Ladeprozess in eine Zellenausgleichsstufe ein. Die Zellenausgleichsstufe nimmt ein Zeitintervall t₃–t₁₀ in Anspruch. Das Spannungsabtastsignal 34 ist während der Intervalle t₄– t₅, t₆–t₇, t₈–t₉ (jedes Intervall mit einer Dauer t_s) gepulst, um zur Unterstützung der dann zu den Zeitpunkten t₅, t₇, t₉ vorliegenden Zellenausgleichsstufe eine Abtastung der Spannung zu bewirken. Zum Zeitpunkt t₁₀ tritt der Ladeprozess in eine andere Stufe ein, vorzugsweise in eine andere Ladestufe.
3 ist ein Grafikdiagramm, in dem die Zellenspannung als Funktion der Zeit dargestellt ist, und zwar in einer repräsentativen praktischen Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Laden einer Batterieanordnung in einer ersten Ladebetriebsart, wie in 1 dargestellt ist. 3 ist eine Darstellung einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in Bereich 1 (1). In 3 sind die Spannungen in drei Zellen in einer Batterieanordnung dargestellt, wie sie sich bezüglich der Zeit verändern. Über ein Zeitintervall t1₁–t1₁₀ zeigt eine erste Zelle (Zelle 1) eine Zellenspannung V₁, eine zweite Zelle (Zelle 2) eine Zellenspannung V₂ und eine dritte Zelle (Zelle 3) eine Zellenspannung V₃. Die Zellen 1, 2, 3 sind in 3 nicht gezeigt.
Die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beginnt mit, in keiner bestimmten Reihenfolge, Aufstellung eines parametrischen Kriteriums zur Bestimmung der jeweiligen Zellenausgleichsbetriebsart, Bestimmen wenigstens eines, den Zellen zugeordneten Leistungsparameters, und Aufstellen eines Abbruchkriteriums, das sich auf den Leistungsparameter bezieht. In dem in 3 dargestellten Fall wird der Leistungsparameter als unterer Zellenspannungsschwellwert V1th_LOW und oberer Zellenspannungsschwellwert V1th_HIGH festgesetzt. Der Ladeprozess wird als in Bereich 1 befindlich erkannt (1), indem die Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ unter dem oberen Zellenspannungsschwellwert V1th_HIGH liegen. Ein Spannungsabtastsignal (z.B. das Spannungsabtastsignal 34; 2) tastet während Abtastintervallen von der Dauer t_s Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ periodisch ab, die zu den Zeitpunkten t1₂, t1₄, t1₆, t1₈, t1₁₀ bestehen. In der in 3 dargestellten beispielhaften Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird am Ende jeder Abtastperiode t_s eine Entscheidung getroffen, welche Zellen langsamer geladen werden sollten: Jede Zelle mit einer Zellenspannung, die über dem unteren Zellenspannungsschwellwert Vlth_LOW liegt, wird langsamer geladen, um eine Nichtübereinstimmung zwischen den Zellen zu reduzieren. Ein Aufbau, um ein selektives, langsameres Laden unter Zellen zu bewirken, besteht darin, selektiv eingerichtete Strompfade bereitzustellen, um einen Teil des Stroms um eine ausgewählte Zelle herum zu leiten. Für den Fall, dass kein Ladestrom anliegt, und wenn die Schaltung so konfiguriert ist, dass sie den Strom um ausgewählte Zellen herum leitet, werden die ausgewählten Zellen entladen. Somit kommt also keine der Zellen (Zelle 1, Zelle 2, Zelle 3) zu den Abtastzeitpunkten t1₂, t1₄ für ein langsameres Laden in Frage. Zum Abtastzeitpunkt t1₆ liegen beide Zellenspannungen V₂, V₃ über dem unteren Zellenspannungsschwellwert V1th_LOW, weshalb die Zellen 2 und 3 langsamer geladen werden, wie durch den geringeren Anstieg der Kurven angezeigt ist, die die Zellenspannungen V₂, V₃ vom Abtastzeitpunkt t1₆ bis zum Zeitpunkt t1₁₀ darstellen. Die Zellenspannung V₁ wird nicht erfasst, da sie bis zum Abtastzeitpunkt t1₆ unter dem unteren Zellenspannungsschwellwert V1th_LOW liegt, wobei nach diesem Zeitpunkt die Zelle 1 langsamer geladen wird, wie durch den schwächeren Anstieg der Kurve angezeigt ist, die die Zellenspannung V₁ vom Abtastzeitpunkt t1₆ bis zum Zeitpunkt t1₁₀ darstellt.
Ein repräsentatives Abbruchkriterium für die in 3 dargestellte Ladebetriebsart sieht vor, dass Bereich 1 verlassen werden kann, wenn irgendeine der Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ den oberen Zellenspannungsschwellwert V1th_HIGH überschreitet. Zum Abtastzeitpunkt t1₁₀ überschreitet die Zellenspannung V₃ den oberen Zellenspannungsschwellwert V1th_HIGH, so dass der in 3 dargestellte Zellenausgleichsvorgang aufhört und das Laden weiterläuft. Mittels dieser repräsentativen Abbruchkriterien ist es möglich, dass der Zellenausgleichsvorgang gestoppt werden kann, bevor zwischen Batteriezellen ein vollständiger Ausgleich erzielt ist. Dies kann man zulassen, um eine zu große Verzögerung bei Ladevorgängen zu vermeiden. Um zu gewährleisten, dass ein vollständiger Zellenausgleich erreicht ist, bevor man den Zellenausgleichsvorgang zu Ende gehen lässt, kann man anstelle der hier erläuterten, repräsentativen Kriterien bzw. des hier erörterten Ausgleichsalgorithmus auch andere Abbruchkriterien, oder einen anderen Ladeausgleichsalgorithmus, oder auch eine Kombination aus alternativen Abbruchkriterien sowie einem alternativen Ladeausgleichsalgorithmus verwenden. Alternativ dazu ist es möglich, ein Zeitlimit zu setzen, um als zusätzliches Abbruchkriterium eine Zeitablaufdauer festzulegen. In so einem Fall hört der Zellenausgleichsvorgang auf, wenn die Zeitablaufdauer vorüber ist, und zwar unabhängig davon, ob irgendeine der Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ den oberen Zellenspannungsschwellwert V1th_HIGH überschritten hat.
4 ist eine grafische Abbildung, in der die Zellenspannung als Funktion der Zeit dargestellt ist, und zwar in einer repräsentativen praktischen Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Laden einer Batterieanordnung in einer zweiten Ladebetriebsart, wie in 1 dargestellt ist. 4 ist eine Darstellung einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf Bereich 2 (1). In 4 sind die Spannungen in drei Zellen in einer Batterieanordnung dargestellt, wie sie sich bezüglich der Zeit verändern. Über ein Zeitintervall t2₁– t2₁₀ zeigt eine erste Zelle (Zelle 1) eine Zellenspannung V₁, eine zweite Zelle (Zelle 2) eine Zellenspannung V₂ und eine dritte Zelle (Zelle 3) eine Zellenspannung V₃. Die Zellen 1, 2, 3 sind in 4 nicht gezeigt.
Die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beginnt mit, in keiner bestimmten Reihenfolge, Aufstellung eines parametrischen Kriteriums zur Bestimmung der jeweiligen Zellenausgleichsbetriebsart, Bestimmen wenigstens eines, den Zellen zugeordneten Leistungsparameters, und Aufstellen eines Abbruchkriteriums, das sich auf den Leistungsparameter bezieht. In dem in 4 dargestellten Fall wird der Leistungsparameter als unterer Zellenspannungsschwellwert V2th_LOW und oberer Zellenspannungsschwellwert V2th_HIGH festgelegt. Der Ladeprozess wird als in Bereich 2 befindlich erkannt (1), indem die Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ über dem oberen Zellenspannungsschwellwert V1th_HIGH (3) liegen. Ein Spannungsabtastsignal (z.B. das Spannungsabtastsignal 34; 2) tastet während Abtastintervallen von der Dauer t_s Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ periodisch ab, die zu den Zeitpunkten t2₂, t2₄, t2₆, t2₈, t2₁₀ bestehen. In der in 4 dargestellten beispielhaften Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird am Ende jeder Abtastperiode t_s eine Entscheidung getroffen, welche Zellen langsamer geladen werden sollten: Jede Zelle mit einer Zellenspannung, die über der mittleren Zellenspannung V_AVG liegt, wird langsamer geladen, um eine Nichtübereinstimmung zwischen den Zellen zu reduzieren. Ein Aufbau, um ein selektives, langsameres Laden unter Zellen zu bewirken, besteht darin, selektiv eingerichtete Strompfade bereitzustellen, um einen Teil des Stroms um eine ausgewählte Zelle herum zu leiten. Für den Fall, dass kein Ladestrom anliegt, und wenn die Schaltung so konfiguriert ist, dass sie den Strom um ausgewählte Zellen herum leitet, werden die ausgewählten Zellen entladen. Die mittlere Zellenspannung V_AVG berechnet sich so:
Wobei N = die Anzahl von Zellen in der Anordnung ist.
Bei dem in 4 dargestellten Ladebetrieb ist N = 3. Keine der Zellen (Zelle 1, Zelle 2, Zelle 3) kommen zum Abtastzeitpunkt t2₂ für ein langsameres Laden in Frage. Zum Abtastzeitpunkt t2₄ liegen beide Zellenspannungen V₂, V₃ über dem mittleren Zellenspannungsschwellwert V_AVG, und daher werden die Zellen 2 und 3 langsamer geladen, wie durch den geringeren Anstieg der Kurven angegeben ist, die die Zellenspannungen V₂, V₃ vom Abtastzeitpunkt t2₄ zum Zeitpunkt t2₆ darstellen.
Zum Abtastzeitpunkt t2₆ entspricht die Zellenspannung V₂ gleich der mittleren Spannung V_AVG, weshalb das Laden an der Zelle 2 mit einer höheren Rate einsetzt, wie durch den stärkeren Anstieg der Kurve angegeben ist, die die Zellenspannung V₂ darstellt. Die Zellenspannung V₃ bleibt zum Abtastzeitpunkt t2₆ über der mittleren Spannung V_AVG, weshalb das Laden der Zelle 3 mit einer langsameren Geschwindigkeit weitergeht. Zum Abtastzeitpunkt t2₈ sind beide Zellenspannungen V₂, V₃ höher als die mittlere Spannung V_AVG. Somit wird Zelle 3 weiterhin langsamer geladen, und auch an der Zelle 2 setzt wieder ein langsameres Laden ein. Die Zellenspannung V₁ wird nicht erfasst, weil sie unter der mittleren Zellenspannung V_AVG liegt und Zelle 1 deshalb nicht betroffen ist. Ein repräsentatives Abbruchkriterium für den in 4 dargestellten Ladevorgang sieht vor, dass Bereich 2 verlassen werden kann, wenn alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ den oberen Zellenspannungsschwellwert V2th_HIGH überschreiten. Zum Abtastzeitpunkt t2₁₀ überschreitet keine der Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ den oberen Zellenspannungsschwellwert V2th_HIGH, so dass der in 4 dargestellte Zellenausgleichsvorgang weiterläuft. Die am Ladegerät bestehende Last wird auf so einem Strompegel gehalten, der dem Ladegerät anzeigt, dass die Zellenausgleichsvorgänge im Bereich 2 weiterlaufen sollten, wobei der Ladevorgang länger ist, als er ohne den Zellenausgleich im Bereich 2 gewesen wäre. Dies ist ein Beispiel für den dynamischen Charakter des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Übergang von einer Ladebetriebsart (z.B. Bereich 1, Bereich 2, Bereich 3; 1) zu einer anderen Ladebetriebsart nicht zeitgesteuert ist, sondern vielmehr gesteuert ist durch eine Echtzeitauswertung von Bedingungen in den Zellen der Anordnung.
Mittels dieser repräsentativen Abbruchkriterien ist es möglich, dass der Zellenausgleichsvorgang beendet werden kann, bevor zwischen den Batteriezellen ein vollständiger Ausgleich erreicht ist. Dies kann man zulassen, um bei Ladevorgängen eine zu große Verzögerung zu vermeiden. Um zu gewährleisten, dass ein vollständiger Zellenausgleich erreicht ist, bevor man den Zellenausgleichsvorgang zu Ende gehen lässt, kann man anstelle der hier erläuterten, repräsentativen Kriterien bzw. des hier erörterten Ausgleichsalgorithmus auch andere Abbruchkriterien, oder einen anderen Ladeausgleichsalgorithmus, oder auch eine Kombination aus alternativen Abbruchkriterien sowie einem alternativen Ladeausgleichsalgorithmus verwenden. Alternativ dazu ist es möglich, ein Zeitlimit zu setzen, um als zusätzliches Abbruchkriterium eine Zeitablaufdauer festzulegen. In so einem Fall hört bei Ablauf der Zeitablaufdauer der Zellenausgleichsvorgang auf, und zwar unabhängig davon, ob irgendeine der Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ den oberen Zellenspannungsschwellwert V2th_HIGH überschritten hat.
5 ist ein Grafikdiagramm, in dem die Zellenspannung als Funktion der Zeit in einer repräsentativen praktischen Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Laden einer Batterieanordnung in einer dritten, wie in 1 dargestellten Ladebetriebsart dargestellt ist. 5 ist eine Darstellung einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung in Bereich 3 (1). In 5 sind die Spannungen in drei Zellen in einer Batterieanordnung dargestellt, wie sie bezüglich der Zeit variieren. Über ein Zeitintervall t3₁ bis t3₁₄ zeigt eine erste Zelle (Zelle 1) eine Zellenspannung V₁, eine zweite Zelle (Zelle 2) eine Zellenspannung V₂ und eine dritte Zelle (Zelle 3) eine Zellenspannung V₃. Die Zellen 1, 2 und 3 sind in 5 nicht gezeigt.
Die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beginnt mit, in keiner bestimmten Reihenfolge, Aufstellung eines parametrischen Kriteriums zur Bestimmung der jeweiligen Zellenausgleichsbetriebsart, Bestimmen wenigstens eines Leistungsparameters, der den Zellen zugeordnet ist, und Aufstellen eines Abbruchkriteriums, das sich auf den Leistungsparameter bezieht. In dem in 5 dargestellten Fall wird der Leistungsparameter zunächst als erster, unterer Zellenspannungsschwellwert V3th_LOW1 und erster oberer Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGH1 festgelegt. Der Ladeprozess wird als im Bereich 3 (1) liegend erkannt, weil alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ größer sind als der obere Zellenspannungsschwellwert V2th_HIGH (4). Ein Spannungsabtastsignal (z.B. Spannungsabtastsignal 34; 2) tastet während Abtastintervallen von der Dauer t_s Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ periodisch ab, die zu den Zeitpunkten t3₂, t3₄, t3₆, t3₈, t3₁₀, t3₁₂, t3₁₄ bestehen. In der in 5 dargestellten, beispielhaften Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden am Ende jeder Abtastperiode t_s bestimmte Entscheidungen getroffen, die die Behandlung verschiedener Zellen betreffen. Es wird eine in zwei Stufen erfolgende Auswertung durchgeführt: (1) Wenn irgendeine Zellenspannung V_n größer ist als der dann bestehende obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGHn, dann werden die Schwellwerte V3th_LOWn, V3th_HIGHn nach oben zu neuen Schwellwerten V3th_LOWneu, V3th_HIGHneu auf Pegel verschoben, wo alle Zellenspannungen V_n kleiner sind als der neue obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGHneu. Die weitergehende Auswertung wird hinsichtlich der neuen, höheren Schwellwerte V3th_LOWneu, V3th_HIGHneu ausgeführt. Wenn keine Zellenspannung V_n größer ist als der dann bestehende obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGHneu, dann bleiben die Schwellwerte V3th_LOWneu, V3th_HIGHneu auf ihren dann bestehenden Pegeln und die weitergehende Auswertung wird bezüglich der unveränderten Schwellwerte ausgeführt. (2) Wenn eine jeweilige Zellenspannung V_n größer ist als der dann bestehende untere Zellenspannungsschwellwert V3th_LOWneu (nachdem die Schwellwertentwicklungen gemäß dem oben genannten Schritt (1) ausgeführt wurden), dann wird die jeweilige Zelle n, die die Spannung V_n zeigt, langsamer geladen. Ein Aufbau, um ein selektives, langsameres Laden zwischen Zellen zu bewirken, besteht darin, selektiv eingerichtete Strompfade bereitzustellen, um einen Teil des Stroms um eine ausgewählte Zelle herum zu leiten. Wenn kein Ladestrom anliegt, und die Schaltung so konfiguriert ist, dass sie Strom um ausgewählte Zellen herum leitet, dann werden diese ausgewählten Zellen entladen. Es wird noch eine weitere Auswertung durchgeführt: (3) Wenn alle Zellen 1, 2 und 3 Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ haben, die zwischen den bestehenden Schwellwerten V3th_LOWn, V3th_HIGHn liegen, geht man davon aus, dass die Zellen 1, 2 und 3 ausgeglichen sind. Unter solchen angenommenen ausgeglichenen Bedingungen wird (a) ein Vollladen ausgeführt, um alle Zellen 1, 2 und 3 so schnell wie möglich zu laden; und (b) die Schwellwerte V3th_LOWn, V3th_HIGHn werden nach oben zu neuen Schwellwerten auf Pegel geschoben, bei denen alle Zellenspannungen V_n niedriger sind als der neue obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGHneu. Wenn darüber hinaus irgendeine der Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ zwischen den dann bestehenden Schwellwerten V3th_LOWn, V3th_HIGHn liegt und eine andere Zellenspannung V₁, V₂, V₃ unter dem bestehenden unteren Schwellwert V3th_LOWn bleibt, dann wird die Zellenspannung V₁, V₂, V₃, die zwischen den dann bestehenden Schwellwerten V3th_LOWn, V3th_HIGHn liegt, abgezogen (beispielsweise wird an die betreffende Zelle kein Ladestrom angelegt und es wird ein anderer Strompfad freigeschaltet oder eingerichtet, der die Stromführung um die betroffene Zelle herum leitet), und die bestehende Ladung an den Zellen mit einer Zellenspannung V₁, V₂, V₃ wird unterhalb des dann bestehenden, unteren Schwellwerts V3th_LOWn gehalten. Noch weiter darüber hinaus werden, wenn alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ unter dem unteren, bestehenden Schwellwert V3th_LOWn liegen, alle Zellen mit den Spannungen V₁, V₂, V₃ gemeinsam mit der Schnellladerate geladen.
Zum Abtastzeitpunkt t3₂ ist die Zellenspannung V₃ größer als der dann bestehende obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGH1, so dass die Schwellwerte V3th_LOW1, V3th_HIGH1 zu höheren Pegeln hin verschoben werden, die dahingehend ausreichend sind, um neue Schwellwerte V3th_LOW2, V3th_HIGH2 auf Pegel festzusetzen, wo alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ kleiner sind als der neue obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGH2. Die Zellenspannungen V₁, V₂ liegen unter dem dann bestehenden unteren Zellenspannungsschwellwert V3th_LOW2, so dass für die Zellen 1, 2 mit den Zellenspannungen V₁, V₂ kein langsameres Laden bewirkt wird.
Zum Abtastzeitpunkt t3₄ ist die Zellenspannung V₃ größer als der dann bestehende untere Zellenspannungsschwellwert V3th_LOW2, aber die Zellenspannungen V₂, V₃ liegen unter dem unteren Spannungsschwellwert V3th_LOW2, so dass die Zelle 3 entladen wird und die Zellen 2 und 3 auf ihren jeweiligen Spannungspegeln gehalten werden, wie es sich in 5 ab dem Abtastzeitpunkt t3₄ durch eine negative Steigung der Kurve zeigt, die die Zellenspannung V₃ darstellt. Zum Abtastzeitpunkt t3₄ sind die Zellenspannungen V₁, V₂ beide unter dem unteren Zellenspannungsschwellwert V3th_LOW2, so dass die dann an den Zellen 1 und 2 bestehenden Ladeniveaus beibehalten werden, wie es sich ab dem Abtastzeitpunkt t3₄ durch die flachen Spannungsniveaus für die Kurven zeigt, die die Zellenspannungen V₂, V₃ darstellen.
Zum Abtastzeitpunkt t3₆ bleiben die Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ unter dem unteren Zellenspannungsschwellwert V3th_LOW2, so dass alle Zellen 1, 2 und 3 mit der Schnellladerate geladen werden, wie es ab dem Abtastzeitpunkt t3₆ durch die parallelen Kurven angegeben ist, die die Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ darstellen.
Zum Abtastzeitpunkt t3₈ liegen alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ zwischen den Schwellwerten V3th_LOW2, V3th_HIGH2, so dass die Schwellwerte V3th_LOW2, V3th_HIGH2 zu höheren Pegeln hin verschoben werden, die dahingehend ausreichend hoch sind, neue Schwellwerte V3th_LOW3, V3th_HIGH3 auf Pegel festzusetzen, bei denen alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ niedriger liegen als der neue obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGH3. Die Zellen 1, 2 und 3 werden weiterhin mit Volllast geladen.
Zum Abtastzeitpunkt t3₁₀ liegen alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ unter dem dann bestehenden unteren Zellenspannungsschwellwert V3th_LOW3, und die Zellen 1, 2 und 3 werden weiterhin mit Volllast geladen.
Zum Abtastzeitpunkt t3₁₂ liegen alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ zwischen den Schwellwerten V3th_LOW3, V3th_HIGH3, so dass die Schwellwerte V3th_LOW3, V3th_HIGH3 ZU höheren Pegeln hin verschoben werden, die dahingehend ausreichend sind, dass neue Schwellwerte V3th_LOW4, V3th_HIGH4 auf Pegel festgesetzt werden, bei denen alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ niedriger sind als der neue obere Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGH4 Die Zellen 1, 2 und 3 werden weiterhin mit Volllast geladen.
Zu einem Zeitpunkt zwischen dem Abtastzeitpunkt t3₁₂ und t3₁₃ erreichen alle Zellenspannungen V₁, V₂, V₃ eine geregelte Spannung V_REG (verschiedentlich auch bekannt als Nennspannung oder Zielspannung). Das Verfahren gestattet den Abbruch oder die Beendigung von Zellenausgleichsvorgängen, wenn ein bestehender oberer Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGHn V_REG überschreitet. Dieser Fall liegt in 5 während des Intervalls t3₁₂–t3₁₃ vor. Dementsprechend wird der Zellenausgleich zum Abtastzeitpunkt t3₁₄ beendet. Alternativ kann ein Zeitlimit gesetzt werden, um als zusätzliches Abbruchkriterium eine Zeitablaufdauer festzulegen. Wenn in so einem Fall die Zeitablaufdauer vorüber ist, hört der Zellenausgleichsvorgang in Bereich 3 auf und der Zellenausgleich wird ungeachtet dessen beendet, ob ein bestehender oberer Zellenspannungsschwellwert V3th_HIGHn V_REG überschreitet.
6 ist ein Flussdiagramm, in dem die bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. In 6 beginnt ein Verfahren 100 zur Steuerung des Ladens einer Batterieanordnung mit mehreren Zellen an einem Ausgangspunkt 102. Das Laden wird in mehreren Ladebetriebsarten bewerkstelligt, um in den mehreren Zellen eine im Wesentlichen ähnliche Sollspannung zu erreichen. Jede einzelne Ladebetriebsart aus den mehreren Ladebetriebsarten verwendet zumindest eine jeweilige Ladevariable, um das Laden zu bewerkstelligen. Das Verfahren 100 fährt in keiner bestimmten Reihenfolge mit folgenden Schritten fort: Aufstellen wenigstens eines parametrischen Kriteriums zur Bestimmung jeder einzelnen Zellenausgleichsbetriebsart, wie durch einen Block 104 angegeben ist; Bestimmen wenigstens eines Leistungsparameters für jede einzelne Zellenausgleichsbetriebsart, wie durch einen Block 106 angegeben ist, welcher Parameter ausgewählten Zellen der mehreren Zellen zugeordnet ist; und Aufstellen wenigstens eines Abbruchkriteriums, wie durch einen Block 108 angegeben ist, um den Abbruch jeder einzelnen Zellenausgleichsbetriebsart zu gestatten. Das wenigstens eine Abbruchkriterium gibt an, dass der wenigstens eine Leistungsparameter innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs für jede ausgewählte Zelle liegt.
Das Verfahren 100 fährt fort, indem eine Abfrage gestartet wird, ob gerade geladen wird, wie durch einen Abfrageblock 110 angegeben ist. Wenn das Laden gerade nicht ausgeführt wird, läuft das Verfahren 100 über eine NEIN-Antwortlinie 112 und eine Rücklauflinie 114 zurück zum Abfrageblock 110. Gegebenenfalls kann der Rücklauf zum Abfrageblock 110 mit einer Verzögerung 113 belegt werden. Die optionale Eigenschaft, eine Verzögerung aufzuerlegen, ist dadurch angezeigt, dass der Verzögerungsblock 113 in punktiertem Linienformat dargestellt ist.
Wenn das Laden gerade ausgeführt wird, schreitet das Verfahren 100 über eine JA-Antwortlinie 116 fort, um Zellenausgleichsvorgänge auszulösen, wie durch einen Block 118 angegeben ist. Das Verfahren 100 schreitet fort, indem das Schnellladen beendet und das Abtasten von Zellenspannungen aktiviert wird, wie durch einen Block 120 angegeben ist. Das Verfahren 100 geht weiter, indem das wenigstens eine parametrische Abbruchkriterium angewendet wird, um die jeweilige, dann bestehende Zellenausgleichsbetriebsart zu bestimmen; die jeweilige, dann bestehende Zellenausgleichsbetriebsart ist eine bestehende Zellenausgleichsbetriebsart, wie durch einen Block 121 angegeben ist. Block 121 umfasst mehrere Abfrageblöcke 122, 140, 158. Das Verfahren 100 startet eine Abfrage, ob ein primärer Ausgleich erforderlich ist (z.B. Bereich 3, 1), wie durch einen Abfrageblock 122 angegeben ist. Wenn kein primärer Ausgleich erforderlich ist, läuft das Verfahren 100 über eine NEIN-Antwortlinie 138 so weiter, dass eine Abfrage gestartet wird, ob ein konditionierender Ausgleich erforderlich ist (z.B. Bereich 1; 1), wie durch einen Abfrageblock 140 angegeben ist. Ist kein konditionierender Ausgleich erforderlich, läuft das Verfahren 100 über eine NEIN-Antwortlinie 156 so weiter, dass eine Abfrage gestartet wird, ob ein sekundärer Ausgleich erforderlich ist (z.B. Bereich 2; 1), wie durch einen Abfrageblock 158 angegeben ist. Ist kein sekundärer Ausgleich erforderlich, läuft das Verfahren 100 über eine NEIN-Antwortlinie 172 unter Rücklauf über eine Rücklauflinie 133 so weiter, dass ein Intervall lang ein Schnellladevorgang ausgeführt wird, wie durch einen Block 135 angegeben ist. Das Intervall, während dem ein Schnellladevorgang gemäß Block 135 ausgeführt wird, kann ein unveränderliches Intervall sein, oder es kann ein veränderbares Intervall sein, das beruhend auf vorbestimmten Entscheidungskriterien von einem Bediener oder einem Computerprogramm gesteuert werden kann. Einzelheiten bezüglich der Steuerung des Intervalls für gemäß Block 135 ausgeführte Schnellladevorgänge sind in 6 nicht dargestellt. Nach dem Intervall, das Block 135 zugeordnet ist, läuft das Verfahren 100 vom Block 135 über eine Linie 137 zurück zu Block 120, um das Schnellladen zu beenden und eine weitere Spannungsabtastung zu aktivieren.
Sobald die bestehende Zellenausgleichsbetriebsart festgestellt ist (Block 121), verwendet das Verfahren 100 die wenigstens eine Ladevariable (vorzugsweise den Ladestrom) für die bestehende Zellenausgleichsbetriebsart, um einen Ausgleichsvorgang zu bewirken, der der vom Block 121 gezogenen Schlussfolgerung entspricht, wie durch einen Block 123 angegeben ist.
Wenn also bestimmt wird, dass ein primärer Ausgleich erforderlich ist, läuft das Verfahren 100 über die JA-Antwortlinie 124 vom Abfrageblock 122 aus weiter, um eine Abfrage zu starten, ob der primäre Ausgleichsalgorithmus aktiviert ist, wie durch einen Abfrageblock 126 angegeben ist. Ist der primäre Ausgleichsalgorithmus aktiviert, läuft das Verfahren 100 über eine JA-Antwortlinie 128 weiter, um einen entsprechenden Ausgleich zu bewirken (wie z.B. in Verbindung mit 5 beschrieben wurde), wie durch einen Block 130 angegeben ist. Ist der primäre Ausgleichsalgorithmus nicht aktiviert, läuft das Verfahren 100 über eine NEIN-Antwortlinie 136 weiter und zurück über eine Rücklauflinie 133, um ein Intervall lang einen Schnellladevorgang auszuführen, wie durch Block 135 angegeben ist. Das Intervall, während dem ein Schnellladevorgang gemäß Block 135 ausgeführt wird, kann ein unveränderliches Intervall sein, oder es kann ein veränderbares Intervall sein, das beruhend auf vorbestimmten Entscheidungskriterien von einem Bediener oder einem Computerprogramm gesteuert werden kann. Einzelheiten bezüglich der Steuerung des Intervalls für gemäß Block 135 ausgeführte Schnellladevorgänge sind in 6 nicht gezeigt. Nach dem Intervall, das Block 135 zugeordnet ist, läuft das Verfahren 100 vom Block 135 über eine Linie 137 zurück zu Block 120, um das Schnellladen zu beenden und eine weitere Spannungsabtastung zu aktivieren.
Wenn bestimmt wird, dass ein konditionierender Ausgleich erforderlich ist, läuft das Verfahren 100 über eine JA-Antwortlinie 142 vom Abfrageblock 140 aus weiter, um eine Abfrage zu starten, ob der konditionierende Ausgleichsalgorithmus aktiviert ist, wie durch einen Abfrageblock 144 angegeben ist. Ist der konditionierende Ausgleichsalgorithmus aktiviert, läuft das Verfahren 100 über eine JA-Antwortlinie 146 so weiter, dass ein entsprechender Ausgleich bewirkt wird (wie z.B. in Verbindung mit 3 beschrieben), wie durch einen Block 148 angegeben ist. Ist der konditionierende Ausgleichsalgorithmus nicht aktiviert, läuft das Verfahren 100 über eine NEIN-Antwortlinie 154 weiter und über die Rücklauflinie 133 zurück, so dass ein Intervall lang ein Schnellladevorgang ausgeführt wird, wie durch Block 135 angegeben ist. Das Intervall, während dem ein Schnellladevorgang gemäß Block 135 ausgeführt wird, kann ein unveränderliches Intervall sein, oder es kann ein veränderbares Intervall sein, das beruhend auf vorbestimmten Entscheidungskriterien von einem Bediener oder einem Computerprogramm gesteuert werden kann. Einzelheiten bezüglich der Steuerung des Intervalls für gemäß Block 135 ausgeführte Schnellladevorgänge sind in 6 nicht gezeigt. Nach dem Intervall, das Block 135 zugeordnet ist, läuft das Verfahren 100 vom Block 135 über eine Linie 137 zurück zu Block 120, um das Schnellladen zu beenden und eine weitere Spannungsabtastung zu aktivieren.
Wenn bestimmt wird, dass ein sekundärer Ausgleich erforderlich ist, schreitet das Verfahren 100 über eine JA-Antwortlinie 160 vom Abfrageblock 158 aus fort, um eine Abfrage zu starten, ob der sekundäre Ausgleichsalgorithmus aktiviert ist, wie durch einen Abfrageblock 162 angegeben ist. Wenn der sekundäre Ausgleichsalgorithmus aktiviert ist, läuft das Verfahren 100 über eine JA-Antwortlinie 164 so weiter, dass ein entsprechender Ausgleich bewirkt wird (wie z.B. in Verbindung mit 4 beschrieben wurde), wie durch einen Block 166 angegeben ist. Ist der sekundäre Ausgleichsalgorithmus nicht aktiviert, läuft das Verfahren 100 über eine NEIN-Antwortlinie 170 weiter und über die Rücklauflinie 133 zurück, um ein Intervall lang einen Schnellladevorgang auszuführen, wie durch Block 135 angegeben ist. Das Intervall, während dem ein Schnellladevorgang gemäß Block 135 ausgeführt wird, kann ein unveränderliches Intervall sein, oder es kann ein veränderbares Intervall sein, das beruhend auf vorbestimmten Entscheidungskriterien von einem Bediener oder einem Computerprogramm gesteuert werden kann. Einzelheiten bezüglich der Steuerung des Intervalls für gemäß Block 135 ausgeführte Schnellladevorgänge sind in 6 nicht gezeigt. Nach dem Intervall, das Block 135 zugeordnet ist, läuft das Verfahren 100 vom Block 135 über eine Linie 137 zurück zu Block 120, um das Schnellladen zu beenden und eine weitere Spannungsabtastung zu aktivieren.
So erhält man also in Block 123 mit dem Verfahren 100 je nach der während des Ladens verwendeten Ausgleichsbetriebsart (z.B. Block 130, Block 148 oder Block 166) für jede ausgewählte Zelle (vorzugsweise umfassen die ausgewählten Zellen alle Zellen in der Batterieanordnung, die gerade geladen wird) einen bestehenden Parametersatz; der bestehende Parametersatz besteht in einem Messwert wenigstens eines bestehenden Leistungsparameters des wenigstens einen Leistungsparameters, der jeder ausgewählten Zelle zugeordnet ist. Einfach ausgedrückt, wird in der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Zellenspannung als bestehender Parametersatz gemessen. Das Verfahren 100 läuft weiter, wobei jeder bestehende Parametersatz mit dem wenigstens einen Abbruchkriterium verglichen wird. Das Verfahren 100 fährt damit fort, den bestehenden Parametersatz zu messen und ihn mit einem entsprechenden Abbruchkriterium zu vergleichen, bis es erfüllt ist, wie in Verbindung mit 3 (konditionierender Ausgleich; Bereich 1; 1), in Verbindung mit 4 (sekundärer Ausgleich; Bereich 2; 1) und in Verbindung mit 5 (primärer Ausgleich; Bereich 3; 1) beschrieben ist.
Wenn das entsprechende Abbruchkriterium erfüllt ist, verlässt das Verfahren 100 den Block 123, um über die Rücklauflinie 114 zum Abfrageblock 110 zurückzukehren. Der Rücklauf zum Abfrageblock 110 kann gegebenenfalls mit einer Verzögerung 113 belegt werden. Die optionale Natur der Auferlegung einer Verzögerung ist dadurch angezeigt, dass der Verzögerungsblock 113 in punktiertem Linienformat dargestellt ist.
Wenn also das Verfahren 100 einen primären Ausgleich durchführt (Block 130) und das entsprechende Abbruchkriterium erfüllt ist, kehrt das Verfahren 100 über eine Abbruchbedingungslinie 132 zur Rücklauflinie 114 zurück. Wenn das Verfahren 100 einen konditionierenden Ausgleich ausführt (Block 148) und das entsprechende Abbruchkriterium erfüllt ist, kehrt das Verfahren 100 über eine Abbruchbedingungslinie 150 zur Rücklauflinie 114 zurück. Führt das Verfahren 100 einen sekundären Ausgleich aus (Block 166) und ist das entsprechende Abbruchkriterium erfüllt, dann kehrt das Verfahren 100 über eine Abbruchbedingungslinie 168 zur Rücklauflinie 114 zurück.
Alternativ kann jede Zellenausgleichsbetriebsart mit einem Zeitlimit belegt werden, um als zusätzliches Abbruchkriterium eine jeweilige Zeitablaufdauer einzurichten. In so einem Fall hört der Zellenausgleichsvorgang für die dann bestehende Zellenausgleichsbetriebsart auf, wenn die Zeitablaufdauer vorüber ist, und zwar unabhängig davon, ob das Abbruchkriterium erfüllt wurde. Wenn folglich das Verfahren 100 einen primären Ausgleich ausführt (Block 130) und die entsprechende Zeitablaufdauer vorüber ist, kehrt das Verfahren 100 über eine Zeitablauflinie 134 zur Rücklauflinie 114 zurück. Wenn das Verfahren 100 einen konditionierenden Ausgleich ausführt (Block 148) und die entsprechende Zeitablaufdauer vorüber ist, kehrt das Verfahren 100 über eine Zeitablauflinie 152 zur Rücklauflinie 114 zurück. Bei der in 6 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist für den sekundären Ausgleich (Block 166) kein Zeitablaufparameter vorgesehen, weil in diesem sekundären Ausgleichsvorgang (Bereich 2; 1) ein Ausgleich zwischen Zellen vorzugsweise ohne Unterbrechung auszuführen ist. In den sekundären Ausgleichsaspekt des Verfahrens 100 könnte natürlich gegebenenfalls ein Abbruchkriterium bezüglich eines Zeitablaufs eingeführt werden.
7 ist ein schematisches Schaltbild, in dem eine erste Ausführungsform der Zellenausgleichsvorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. In 7 befindet sich eine Vorrichtung 200 zur Steuerung des Ladens einer Batterieanordnung 203 auf einem Substrat 201 und ist dazu konfiguriert, an Ladegerätanschlüssen 202, 204 mit einer Ladeeinheit (vorzugsweise vom Substrat 201 entfernt angeordnet; nicht gezeigt in 7) verbunden zu werden. Die Vorrichtung 200 umfasst eine Messeinheit 206 und eine Zellenausgleichs-Steuereinheit 208. Die Messeinheit 206 umfasst eine Zellenspannungs-Abtastvorrichtung 210, die mit einer Batterieanordnung 203 verbunden ist, um selektiv einzelne Zellen der Batterieanordnung 203 abzutasten. Die Zellenspannungs-Abtastvorrichtung 210 wandelt selektiv jeweilige Zellenspannungen in auf Masse bezogene Werte um. Die Messeinheit 206 umfasst auch eine Multiplex-Steuereinheit 212, einen Komparator 214 und ein Statusregister 216. Die Lade-Steuereinheit 208 umfasst eine Zustandsmaschine 220 und eine Schwellwerterzeugungseinheit 222. Die Schwellwerterzeugungseinheit 222 ist mit vorbestimmten Schwellwerten TH1, TH2, THn versehen.
Die Multiplex-Steuereinheit 212 ist mit der Zellenspannungs-Abtastvorrichtung 210 verbunden, um zu überprüfen, welche jeweilige Zelle der Batterieanordnung 203 von der Zellenspannungs-Abtastvorrichtung 210 abgetastet wird. Ein Ausgang 211 aus der Zellenspannungs-Abtastvorrichtung 210 wird einem Komparator 214 zur Verfügung gestellt, was jeweils eine Abtastung einer jeweiligen Zelle der Batterieanordnung 203 bedeutet. Der Komparator 214 erhält von der Schwellwerterzeugungseinheit 222 auch einen entsprechenden Schwellwert TH1, TH2, THn für die dann bestehende Zellenausgleichsbetriebsart. Der entsprechende Schwellwert TH1, TH2, THn wird von der Schwellwerterzeugungseinheit 222 beruhend auf einer Feststellung, welche Zellenausgleichsbetriebsart gerade besteht, ausgewählt, die wiederum auf Zellenspannungs-Abtastergebnissen beruht, die, wie sie durch die Zellenspannungs-Abtastvorrichtung 210 ausgewählt sind, der Schwellwerterzeugungseinheit 222 über eine Leitung 219 von der Batterieanordnung 203 selektiv zur Verfügung gestellt werden.
Der Komparator 214 liefert eine Vergleichsangabe 215 an das Statusregister 216, die das Ergebnis des Vergleichs des Ausgangs 211 aus der Zellenspannungs-Abtasteinheit 210 mit dem Schwellwert TH1, TH2, THn angibt, der von der Schwellwerterzeugungseinheit 222 eingeht.
Die Vorrichtung 200 ist ein analoger/digitaler Baustein, der vorzugsweise als Einchip-Produkt konfiguriert ist. Die Zellenspannungsabtastung 210 spricht auf Signale von der Multiplex-Steuereinheit 212 an, und zwar bei der Auswahl von jeweiligen Zellen in der Batterieanordnung 203 zum Abtasten hinsichtlich einem jeweiligen individuellen Schwellwert, der für jede einzelne Zelle ausgewählt wurde. Die erste digitale Manifestation des Tests und des Vergleichs mit dem Schwellwert ist die Vergleichsangabe 215, die dem Statusregister 216 zur Verfügung gestellt wird. Das Statusregister 216 liefert an die Zustandsmaschine 220 einen Angabe 217, die sich auf ausgewählte Vergleichsangaben 215 beziehen, die vom Komparator 214 empfangen wurden. Die Multiplex-Steuereinheit 212 ist mit der Zellenspannungs-Abtasteinheit 210, dem Statusregister 216, der Zustandsmaschine 220 und der Schwellwerterzeugungseinheit 222 verbunden, um sicherzustellen, dass es sich um dieselbe jeweilige Zelle der Batterieanordnung 203 handelt, mit der sich zu einem bestimmten Zeitpunkt die Zellenspannungs-Abtasteinheit 210, das Statusregister 216, die Zustandsmaschine 220 und die Schwellwerterzeugungseinheit 222 jeweils befassen. Die Multiplex-Steuereinheit 212 kann eine digitale Einheit sein, eine analoge Einheit oder eine hybride digitalanaloge Einheit, die über eine Schnittstelle mit der digitalen Zustandsmaschine 220 und dem digitalen Statusregister 216 verbunden ist. Die Zellenspannungs-Abtasteinheit 210, der Komparator 214 und die Schwellwerterzeugungseinheit 222 sind vorzugsweise analoge Bausteine.
Die Zustandsmaschine 220 ist mit einer Nebenschlusseinheit 224 verbunden, um selektiv ein langsames Laden ausgewählter Zellen in der Batterieanordnung 203 zu bewirken. Ein beispielhafter Aufbau zum Bewirken eines langsameren Ladens ausgewählter Zellen in der Batterieanordnung 203 ist in 7 gezeigt: Die Nebenschlusseinheit 224 stellt einen Strompfad zur Verfügung, um einen Teil des Stroms um ausgewählte Zellen in der Batterieanordnung 203 herum zu leiten, um während des Ladens einen Ausgleich zwischen Zellen zu bewirken. Die Zustandsmaschine 220 ist auch mit Schaltvorrichtungen S1, S2, S3 verbunden und steuert den Schaltvorgang der Schaltvorrichtungen S1, S2, S3.
Zusammenfassend gesagt, verwendet die Vorrichtung 200 die Schwellwerte TH1, TH2, THn, um den Ladezustand jeweiliger Zellen der Batterieanordnung 203 zu erfassen. Die Zustandsmaschine 220 steuert das Zusammenspiel der Messeinheit 206, Steuereinheit 208 und Nebenschlusseinheit 224, um eine Zellenabtastung und einen Zellenausgleich zu bewirken. Die Zellenabtastung und der Zellenausgleich werden entweder bei einem Ladestrom mit dem Wert Null oder bei einem konditionierenden Strom ausgeführt. Bei Batterieanordnungen mit geringer Kapazität (also bei Batterieanordnungen mit geringer Ladung) erfolgt der Zellenausgleich mittels eines vorkonditionierenden Stroms. Der vorkonditionierende Strom ist ein niedriger Strom, der einen Ausgleich von Zellen in der Batterieanordnung gestattet, ohne die Batterieanordnung weiter zu entleeren. Unter solchen Bedingungen liegen Abweichungen bezüglich einer Nichtübereinstimmung der Zellenimpedanz vor, wobei sie aber durch Verwendung eines niedrigen vorkonditionierenden Stroms minimiert sind. Die minimalen Abweichungen bezüglich der Nichtübereinstimmung der Zellenimpedanz werden in dieser Ladebetriebsart als unkritisch angesehen, weil der Hauptvorgang des Zellenausgleichs dann stattfindet, wenn die Zellen auf einem höheren Kapazitätsniveau sind.
Bei Batterieanordnungen mit mittlerer Kapazität erfolgt der Zellenausgleich bei Vollladestrom (manchmal als Schnellladestrom bezeichnet). Das Hauptziel einer solchen Zellenausgleichsbetriebsweise besteht darin, eine Steigerung des Zellenungleichgewichts, die durch ladungsinduzierte Größenverschiebungen zwischen den jeweiligen Zellen der Batterieanordnung herbeigeführt werden kann, zu minimieren.
Bei Batterieanordnungen mit hoher Kapazität erfolgt der Zellenausgleich ohne Ladestrom oder mit einem kleinen Ladestrom, um die maximale Leistungsfähigkeit und die maximale Genauigkeit bei Ladevorgängen zu erzielen.
Der Schalter S2 steuert den Strom zwischen dem Schalter S1 und der Batterieanordnung 203. Der Schalter S1 steuert den Strom zwischen dem Ladegerätanschluss 202 und dem Schalter S2. Der Schalter S3 überprüft, ob eine Impedanz R in der Schaltungsanordnung enthalten ist. Die Impedanz R wird entsprechend bemessen, so dass das Miteinbeziehen der Impedanz R in die Schaltungsanordnung der Vorrichtung 200 dafür sorgt, dass vom Ladegerätanschluss 202 zur Batterieanordnung 203 ein geringer Strom fließt, wenn der Schalter S1 offen, sowie die Schalter S2 und S3 geschlossen sind. Der so bereitgestellte niedrige Strom eignet sich zur Durchführung des Ladens, wenn die Batterieanordnung auf niedriger Kapazität ist.
Beispielhaft spricht die Vorrichtung 200 auf die Zustandsmaschine 220 und jeweilige Zellenspannungen in der Batterieanordnung 203 an, um Ladevorgänge so zu bewerkstelligen (in Zusammenwirken mit einer Ladevorrichtung, die an die Ladegerätanschlüsse 202, 204 angeschlossen ist; nicht gezeigt in 7), wie in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben ist.
Tabelle 1
8 ist ein schematisches Schaltbild, das eine zweite Ausführungsform der Ladevorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt. In 8 ist eine Vorrichtung 300 im Wesentlichen genau wie die Vorrichtung 200 (7) zur Steuerung des Ladens einer Batterieanordnung 203 ausgeführt. Um Weitschweifigkeit zu vermeiden, erfolgt keine redundante Beschreibung der Vorrichtung 300; gleiche Komponenten in der Vorrichtung 300 und der Vorrichtung 200 werden mittels gleicher Bezugszahlen bezeichnet. Diese Beschreibung der 8 konzentriert sich auf die Unterschiede zwischen der Vorrichtung 300 und der Vorrichtung 200 (7). Der prinzipielle Unterschied zwischen der Vorrichtung 300 und der Vorrichtung 200 (7) liegt im Vorsehen einer Stromsenke 350.
Die Stromsenke 350 ist so konfiguriert, dass sichergestellt ist, dass ein vorbestimmter Strom weiterhin von einer Ladeeinheit her abfließt, selbst wenn in der gerade im Laden befindlichen Batterieanordnung ein Zustand mit geringem Ladestrom vorliegt (niedrige Kapazität) oder ein Zustand mit einem Ladestrom mit dem Wert Null (hohe Kapazität). Die Stromsenke 350 kann in jeder beliebigen Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die selektiv einen vorbestimmten Strom mit Masse kurzschließt, wenn die Vorrichtung 300 Stromausgleichsvorgänge ausführt, bei denen es bestimmter Pegel des Ladestroms bedarf. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 300 wird der niedrige Strompegel, der zum Bewirken des Ladens einer Batterieanordnung 203 mit geringer Kapazität erforderlich ist, durch die Ladeeinheit selbst bereitgestellt, und der Betrieb mit einem Strom mit dem Wert Null wird durch die Stromsenke 350 übernommen. In der bevorzugten Ausführungsform stellt die Stromsenke 350 einen vorbestimmten Stromabfluss von der Ladeeinheit bereit, der dahingehend ausreichend ist, dass die Ladeeinheit keine Nullstromsituation erfasst und die Ladevorgänge fälschlicherweise vorzeitig beendet.
Die bevorzugte Ausführungsform der Stromsenke 350 ist in 8 punktiert dargestellt. Ein Schalter S8, der auf die Zustandsmaschine 220 anspricht, schaltet selektiv eine Impedanz R8 innerhalb der Schaltungsanordnung der Vorrichtung 300 zu, um den Strom auf Masse kurzzuschließen, der von der Ladeeinheit (nicht gezeigt in 8) kommt, die an die Ladegerätanschlüsse 202, 204 angeschlossen ist. Die Impedanz R8 wird entsprechend gewählt, um sicherzustellen, dass von der Ladeeinheit ein ausreichender Strom abgezogen wird, um eine unzweckmäßige, vorzeitige Beendigung der Ladevorgänge durch die Ladeeinheit auszuschließen. Zwischen der Host-Einheit (nicht gezeigt in 8), die gerade geladen wird, oder zwischen der Vorrichtung 300 und der Ladeeinheit ist keine Kommunikation erforderlich. Das Einbeziehen der Stromsenke 350 in die Schaltungsanordnung der Vorrichtung 300 wird im Ansprechen auf die zum Laden der Batterieanordnung 203 gewählte Zellenausgleichsbetriebsart bewerkstelligt, die, basierend auf dem Vergleich von Zellenspannungen mit den Schwellwerten TH1, TH2, THn, ausgewählt wurde, wie weiter oben in Verbindung mit 1 bis 7 beschrieben wurde.
Zusammenfassend gesagt, verwendet die Vorrichtung 300 feste Schwellwerte TH1, TH2, THn, um den Ladezustand der Batterieanordnung 203 zu erfassen. Die Zustandsmaschine 220 steuert das Zusammenspiel zwischen Messeinheit 206, Steuereinheit 208 und Nebenschlusseinheit 224, um eine Zellenabtastung sowie einen Zellenausgleich zu bewirken. Die Zellenabtastung und der Zellenausgleich werden entweder bei einem Ladestrom mit dem Wert Null oder einem konditionierenden Strom ausgeführt. Bei Batterieanordnungen mit niedriger Kapazität (also Batterieanordnungen mit niedriger Ladung) findet der Zellenausgleich mittels eines vorkonditionierenden Stroms statt. Der vorkonditionierende Strom ist ein niedriger Strom, der durch die Ladeeinheit (in 8 nicht gezeigt) eingestellt ist, die einen Ausgleich der Zellen in der Batterieanordnung gestattet, ohne die Batterieanordnung weiter zu entleeren. Unter solchen Bedingungen existieren Abweichungen bezüglich der Nichtübereinstimmung der Zellenimpedanz, wobei diese aber durch Verwendung eines niedrigen vorkonditionierenden Stroms minimiert sind. Die minimalen Abweichungen bezüglich der Nichtübereinstimmung der Zellenimpedanz werden in dieser Zellenausgleichsbetriebsart als unkritisch angesehen, weil der Hauptvorgang des Zellenausgleichs dann abläuft, wenn die Zellen auf einem höheren Kapazitätsniveau sind.
In Batterieanordnungen mit mittlerer Kapazität erfolgt der Zellenausgleich bei Vollladestrom. Das Hauptziel einer derartigen Zellenausgleichsbetriebsweise besteht darin, jeglichen Anstieg des Zellenungleichgewichts zu minimieren, der durch ladungsinduzierte Versatzgrößen zwischen den jeweiligen Zellen der Batterieanordnung verursacht werden kann.
Bei Batterieanordnungen mit hoher Kapazität wird der Zellenausgleich vorzugsweise mit einem kleinen Ladestrom bewerkstelligt, der durch die Stromsenke 350 festgelegt wird, um bei den Ladevorgängen eine maximale Leistung und Genauigkeit zu erzielen. Durch die Stromsenke 350 ist vorzugsweise sichergestellt, dass von einer Ladeeinheit (in 8 nicht gezeigt) eine ausreichend hohe Last „wahrgenommen" wird. Dadurch wird eine Unterbrechung von Ladevorgängen vermieden, was andernfalls auftreten könnte, wenn die Ladeeinheit fälschlicherweise eine zu niedrige Last „wahrnehmen" würde, und diese zu geringe Last so interpretierte, dass dies eine Beendigung des Ladens anzeigt.
Der Schalter S2 steuert den Strom zwischen dem Schalter S1 und der Batterieanordnung 203. Der Schalter S1 steuert den Strom zwischen dem Ladegerätanschluss 202 und dem Schalter S2. Der Schalter S8 überprüft, ob sich in der Schaltungsanordnung eine Impedanz R8 befindet, um einen vorbestimmten Strom von der Ladeeinheit abzuziehen und auf Masse kurzzuschließen. Die Impedanz R8 ist entsprechend bemessen, so dass das Einbeziehen der Impedanz R8 in die Schaltungsanordnung der Vorrichtung 300 dafür sorgt, dass vom Ladegerätanschluss 202 zur Masse ein niedriger Strom fließt, wenn der Schalter S1 offen sowie die Schalter S2 und S8 geschlossen sind. Der geringe, so vom Ladegerätanschluss 202 abgezogene Strom ist dahingehend zweckmäßig, eine vorzeitige, fälschliche Beendigung von Ladevorgängen durch die Ladeeinheit auszuschließen.
Beispielhaft spricht die Vorrichtung 300 auf die Zustandsmaschine 220 und jeweilige Zellenspannungen in der Batterieanordnung 203 an, um Ladevorgänge so zu bewirken (im Zusammenspiel mit einer Ladevorrichtung, die an die Ladegerätanschlüsse 202, 204 angeschlossen ist; nicht gezeigt in 8), wie in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben ist.
Tabelle 2
Bei der Vorrichtung 300 bedarf es keiner Kommunikation zwischen der Vorrichtung 300 (oder einem Host-Produkt, für das die Vorrichtung 300 die Zellenausgleichsvorgänge steuert) und der Ladeeinheit (in 8 nicht gezeigt), die an die Ladegerätanschlüsse 202, 204 angeschlossen ist. Die Ladeeinheit benötigt keine Information bezüglich des Umstands, wenn Ladevorgänge mit niedrigem Strom oder Ladevorgänge mit Strom mit dem Wert Null ausgeführt werden. Das Einbeziehen einer Stromsenke 350 in die Schaltungsanordnung der Vorrichtung 300 geschieht im Ansprechen auf die Zellenausgleichsbetriebsart, die, basierend auf dem Vergleich der Zellenspannungen mit den Schwellwerten TH1, TH2, THn, für die Batterieanordnung 203 ausgewählt wurde, wie weiter oben in Verbindung mit 1 bis 7 beschrieben.
Es sollte klar sein, dass, während die zur Verfügung gestellten ausführlichen Zeichnungen und speziellen Beispiele bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben, diese lediglich dem Zweck der Darstellung dienen, dass das Verfahren der Erfindung nicht auf die offenbarten, genauen Einzelheiten und Bedingungen beschränkt ist, und dass verschiedene Abänderungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zur Steuerung des Zellenausgleichs einer mehrere Zellen umfassenden Batterieanordnung (224) während des Ladens der Zellen; wobei das Laden in mehreren Zellenausgleichsbetriebsarten vonstatten geht, um eine Sollspannung zu erreichen; wobei jede einzelne Zellenausgleichsbetriebsart aus den mehreren Zellenausgleichsbetriebsarten einem bestimmten Ladestatus der Batterieanordnung zugeordnet ist; wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) in keiner bestimmten Reihenfolge und vor dem Laden: (1) Aufstellen (104) wenigstens eines Spannungskriteriums für jeden Ladestatus, das zum Bestimmen eines jeweiligen Zellenladestatus während des Ladens in der Anordnung gemessen werden kann; (2) Bestimmen (106) wenigstens eines Leistungsparameters für jede einzelne Zellenausgleichsbetriebsart aus den mehreren Zellenausgleichsbetriebsarten, welcher Leistungsparameter während des Ladens gemessen werden kann, ausgewählten Zellen aus den mehreren Zellen zugeordnet ist und das Ladeergebnis der ausgewählten Zellen anzeigt; und (3) Aufstellen (108) wenigstens eines Abbruchkriteriums, das auf jeden Leistungsparameter angewendet werden soll, um das Aussteigen aus einer jeweiligen Zellenausgleichsbetriebsart aus den mehreren Zellenausgleichsbetriebsarten zu ermöglichen; wobei das wenigstens eine Abbruchkriterium anzeigt, dass für jede ausgewählte Zelle der zumindest eine Leistungsparameter in einem vorbestimmten Wertebereich liegt; (b) Ermitteln (110) des Ladens der Batterieanordnung; (c) Messen (120) der Zellenspannung, um den bestehenden Ladestatus zu bestimmen; (d) Auswählen (121) der jeweiligen, dem bestehenden Ladestatus zugeordneten Zellenausgleichsbetriebsart, wobei die jeweilige, dann bestehende Zellenausgleichsbetriebsart eine bestehende Zellenausgleichsbetriebsart ist; (e) für die ausgewählten Zellen: (1) Einsetzen (123) des bestehenden Ladestatus; (2) Erlangen eines bestehenden Parametersatzes; wobei der bestehende Parametersatz ein Messwert wenigstens eines bestehenden Leistungsparameters des wenigstens einen, einer jeweils ausgewählten Zelle zugeordneten Leistungsparameters ist; (3) Vergleichen jedes bestehenden Parametersatzes mit dem wenigstens einen Abbruchkriterium; und (4) Wiederholen der Schritte (e) (2) bis (e) (3), bis der bestehende Parametersatz das wenigstens eine Abbruchkriterium (132, 150, 168) erfüllt; (f) Beenden der bestehenden Zellenausgleichsbetriebsart, um die bestehende Betriebsart zu verlassen; (g) Wiederholen der Schritte (c) bis (f), bis die Sollspannung erreicht ist; und (h) Beenden des Ladens, wenn die Sollspannung erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, zum Steuern des Ladens einer mehrere Zellen umfassenden Batterieanordnung, wobei das Laden zumindest während eines Zeitblocks unterbrochen ist, der dafür aufgewendet wird, den bestehenden Parametersatz zu erlangen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, zum Steuern des Ladens einer mehrere Zellen umfassenden Batterieanordnung, wobei das zumindest eine Spannungskriterium in Form einer Schwellenspannung für jeweilige Zellen der mehreren Zellen ausgedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Steuern des Ladens einer mehrere Zellen umfassenden Batterieanordnung, wobei das zumindest eine Abbruchkriterium in Form einer Schwellenspannung für jeweilige Zellen der mehreren Zellen ausgedrückt wird.