DE69418570T2

DE69418570T2 - Verfahren zum Spannungsausgleich von in Reihen geschalteten Traktionsbatterien für Elektrische Fahrzeuge während der Wiederaufladung und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE69418570T2
Application number: DE69418570T
Authority: DE
Inventors: Roberto Guerzoni; Piergiorgio Varrone
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1993-10-14
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: EP0652620B1; ITTO930752A1; ITTO930752A0; IT1261611B; DE69418570D1; EP0652620A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren, um die Spannungen an Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge abzugleichen, bei denen die Antriebsbatterien während der Wiederaufladung in Serie geschaltet sind, sowie eine Vorrichtung, um dieses Verfahren durchzuführen.
Für den Betrieb benötigen Elektrofahrzeuge eine große Anzahl von Antriebsbatterien, die in Serie geschaltet sind, wobei es sich derzeit üblicherweise um Blei-Säure oder Blei-Gel (Rekombinations) Batterien handelt.
Unabhängig davon, welche Batterieart verwendet wird, ist die Selbständigkeit des Fahrzeugs ziemlich begrenzt, wodurch es notwendig ist, die Batterien mit einem Batterieladegerät sehr oft wiederaufzuladen, das sich im Fahrzeug oder auf dem Boden befinden kann und den Batterien elektrische Energie zuführt, die es dem Netz entnimmt.
Da die Batterien im Fahrzeug in Serie geschaltet sind und es schwierig ist, die Batterien parallel zu laden (tatsächlich wäre es notwendig, auf jede einzelne Batterie zuzugreifen), erfolgt das Wiederaufladen in Serie, wodurch der Ladestrom für alle Batterien gleich ist.
Weiters ist bekannt, dass zwischen einer Batterie und einer anderen kleine Spannungsunterschiede vorhanden sind. Diese Unterschiede können vom Aufbau der Batterie selbst, von unterschiedlich langen Lagerzeiten vor dem Einbau in das Fahrzeug oder einfach von verschiedenen Temperaturen von einer Batterie zur anderen stammen.
Wenn das Laden in Serienschaltung erfolgt, ist ersichtlich, dass auch kleine Spannungsunterschiede zwischen den verschiedenen Batterien nicht kompensiert werden, wobei sie im Gegensatz dazu mit jedem Ladeintervall vergrößert werden.
Weiters ist bekannt, dass eine überladene oder unterladene Batterie im Vergleich zu den anderen rasch beschädigt wird, wodurch die Verwendung des Fahrzeugs, in das die Batterie eingebaut ist, aufs Spiel gesetzt wird.
Verfahren, um die Spannungen an Antriebsbatterien abzugleichen, die in Serie geschaltet sind, sind aus WO-A-93 08 629 und US-A-4,238.721 bekannt.
Gegenstand dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abgleichen der Spannungen an Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge zu liefern, bei denen die Antriebsbatterien während der Wiederaufladung in Serie geschaltet sind, wobei mit dem Verfahren die Spannung an allen Batterien, aus denen die Serienschaltung besteht, abgeglichen werden kann.
Die vorliegende Erfindung erreicht den oben erwähnten Gegenstand mit Hilfe eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, um die Spannung an Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge abzugleichen, bei denen die Antriebsbatterien während der Wiederaufladung in Serie geschaltet sind.
Weiters enthält die Erfindung eine Vorrichtung, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen, wobei die Vorrichtung jene Merkmale besitzt, die im besonderen in den folgenden Ansprüchen 2-4 angeführt sind.
Die Erfindung wird nun anhand eines nichteinschränkenden Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 das Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß der Erfindung;
Fig. 2 das Blockschaltbild der Vorrichtung, mit der das Verfahren der Erfindung durchgeführt wird; und
Fig. 3 Details im Aufbau eines Teils von Fig. 2.
Im Zusammenhang mit Fig. 1 wird im Schritt a) mit dem Wiederaufladen der Batterien begonnen.
Im Schritt b) werden die Spannungs- und Temperaturwerte jeder einzelnen Batterie gemessen und gespeichert, wobei für jede Batterie eine standardisierte Spannung hergeleitet und gespeichert wird, die man dadurch erhält, dass an die jeweilige gemessene Spannung ein Korrekturfaktor angelegt wird, der von der jeweiligen gemessenen Temperatur abhängt.
Im Schritt c) werden die verschiedenen standardisierten Spannungen verglichen. Wenn alle Batterien die gleiche standardisierte Spannung erreicht haben, wird das Wiederaufladen der Batterien in Übereinstimmung mit normalen Verfahren fortgesetzt, mit Ausnahme von fortlaufenden Spannungsprüfungen und einer Wiederaufnahme des Abgleichvorgangs, falls dies notwendig ist. Wenn dieser Zustand nicht bestätigt wird (Schritt d)), wird festgestellt, welche Batterie (Batterien) der niedrigsten standardisierten Spannung entspricht (entsprechen), wobei eine Strom-Umleitung an alle Batterien gelegt wird, deren standardisierte Spannungen höher als die niedrigste standardisierte Spannung sind. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall werden alle Umleitungen aufgetrennt und alle Schritte b) bis d) wiederholt, bis alle Batterien die gleiche standardisierte Spannung erreicht haben.
Im Zusammenhang mit Fig. 2 sind n Batterien, die mit den Bezugszeichen 1 bis n versehen sind, in Serie geschaltet, um ein Elektrofahrzeug (nicht dargestellt) anzutreiben.
Der positive Pol der Batterie 1 und der negative Pol der Batterie n sind mit dem Elektromotor für den Antrieb (nicht dargestellt) verbunden. Ein Batterieladegerät 8 liegt mit seinem positiven Pol am positiven Pol der Batterie 1 und mit seinem negativen Pol am negativen Pol der Batterie n.
Die positiven Pole der Batterien 1 bis n sind jeweils mit den ersten Eingängen 10&sub1; ... 10n von Zellen 12&sub1; ... 12n verbunden, wobei die ersten Eingänge 10&sub1; ... 10n jeweils über entsprechende Schalter 16&sub1; ... 16n mit zweiten Eingängen 14&sub1; 14n der Zellen 12&sub1; ... 12n verbunden sind.
Die Zellen 12&sub1; bis 12n-1 besitzen entsprechende erste Ausgänge 18&sub1; ... 18n-1, von denen jeder am entsprechenden ersten Eingang 10&sub2; ... 10n der unmittelbar folgenden Zelle liegt, während der erste Ausgang 18n der Zelle 12n mit dem negativen Pol der Batterie n verbunden ist.
Die ersten Eingänge der Zellen 12&sub1; ... 12n liegen an entsprechenden Schaltern 20&sub1; ... 20n während der erste Ausgang 18n der Zelle 12n mit einem Schalter 20n+1 verbunden ist.
Jede Zelle 12&sub1; bis 12n besitzt einen entsprechenden zweiten Ausgang 31&sub1; bis 31n sowie einen entsprechenden dritten Ausgang 32&sub1; bis 32n, die jeweils mit dem positiven bzw. negativen Eingang des Stromstabilisators 8 verbunden sind.
Ein Mikroprozessor 50 steuert die Schalter 20&sub1; bis 20n+1 über Steuerleitungen 52 und empfängt die von den ersten Eingängen 10&sub1; bis 10n der Zellen 12&sub1; bis 12n stammenden Signale, wenn die Schalter 20&sub1; bis 20n+1 geschlossen sind.
Dritte Eingänge 54&sub1; bis 54n und vierte Eingänge 56&sub1; bis 56n jeder einzelnen Zelle 12&sub1; bis 12n sind mit den Ausgängen 58 bzw. 60 des Mikroprozessors 50 verbunden.
Die Schalter 16&sub1; bis 16n liegen jeweils an Ausgängen 60&sub1; bis 60n des Mikroprozessors 50, dessen Eingänge 62&sub1; bis 62n mit Temperaturfühlern 64&sub1; bis 64n auf den Batterien 1 bis n verbunden sind, während ein Ausgang 66 des Mikroprozessors 50 am Eingang 68 des Batterieladegeräts 8 liegt.
Eine der Zellen 12&sub1; bis 12n, genauer gesagt die Zelle 12&sub1;, wird nunmehr im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben, wobei diese Beschreibung ident auch auf die anderen Zellen angewandt werden kann.
In Fig. 3 empfängt ein optisches Trennelement, das die Bezugsziffer 105 trägt, das Zerhackersignal, das von den Ausgängen 58, 60 des Mikroprozessors (in dieser Zeichnung nicht dargestellt) stammt, wobei das Trennelement 105 eine Treiberstufe 107 steuert, um eine MOSFET-Stufe 109 anzusteuern.
Das optische Trennelement 105, die Treiberstufe 107 und der MOSFET 109 sind mit dem negativen Anschluss der zugeordneten Batterie 1 verbunden, wobei das optische Trennelement 105 und die Treiberstufe 107 auch mit einem ersten Anschluss des zugeordneten Schalters 16&sub1; verbunden sind, um die Zelle 12&sub1; zu- oder wegzuschalten.
Der MOSFET 109 ist mit der Primärwicklung 110 eines Transformators 111 verbunden, wobei die Primärwicklung 110 über einen Kondensator 112 am negativen Pol der Batterie 1 und über einen Gleichrichter 113 am positiven Pol der Batterie 1 liegt. Die Anode des Gleichrichters 113, die am positiven Pol der Batterie 1 liegt, ist mit dem zugeordneten Schalter 20&sub1; verbunden, um die Spannung der Batterie 1 zu messen.
Die Sekundärwicklung 120 des Transformators 111 liegt an den beiden Polen des Batterieladegeräts (in dieser Zeichnung nicht dargestellt). Die Verbindung mit dem positiven Pol erfolgt über einen Gleichrichter 122, während zwischen der Kathode des Gleichrichters 122 und der Verbindung mit dem negativen Pol des Batterieladegeräts ein Kondensator 124 liegt.
Wenn im Betrieb angenommen wird, dass sich die Batterien 1 bis n im Zustand der Wiederaufladung befinden, beginnt das Laden der Batterien mit Hilfe des Batterieladegeräts 8, wobei alle Schalter 16&sub1; bis 16n und 20&sub1; bis 20n geöffnet sind.
Daraufhin wird die Spannung an jeder Batterie gemessen und im Mikroprozessor 50 gespeichert, wofür der Mikroprozessor 50 das Paar von Schaltern 20&sub1; und 20&sub2; schließt, wodurch die Spannung V&sub1; an der Batterie 1 gemessen wird. Dieser Spannungswert wird im Mikroprozessor 50 gespeichert. Das Paar von Schaltern 20&sub2; und 20&sub3; wird dann geschlossen, wodurch die Spannung V&sub2; an der Batterie 2 gemessen wird, usw. bis zum Paar 20n, 20n+1, mit dem die Spannung Vn gemessen und gespeichert wird.
Wenn die Messung der Spannungen V&sub1; bis Vn beendet ist, sind alle Schalter 20&sub1; bis 20n+1 geöffnet.
Gleichzeitig mit dem Messen und Speichern der Spannungen V&sub1; bis Vn werden die momentanen Temperaturen T&sub1; bis Tn der Batterien 1 bis n mit den Fühlern 64&sub1; bis 64n gemessen und im Mikroprozessor 50 gespeichert.
Der Mikroprozessor 50 leitet für jede Batterie 1 bis n eine standardisierte Spannung her und speichert diese standardisierte Spannung, die man dadurch erhält, dass an die jeweilige gemessene Spannung V&sub1; bis Vn ein Korrekturfaktor angelegt wird, der von der jeweiligen gemessenen Temperatur T&sub1; bis Tn abhängt. Daraufhin prüft der Mikroprozessor 50, ob alle Batterien 1 bis n die gleiche standardisierte Spannung besitzen. Wenn dies der Fall ist, wird der Abgleichvorgang beendet, wie dies später beschrieben wird. Wenn dies nicht der Fall ist, vergleicht der Mikroprozessor 50 die standardisierten Spannungen, wobei er feststellt, welche Spannung die niedrigste Spannung ist. Daraufhin begrenzt er den Ladestrom zu allen Batterien mit standardisierten Spannungen, die höher als die minimale standardisierte Spannung sind.
Dazu schließt der Mikroprozessor 50 die Schalter 16&sub1; bis 16n, die jenen Batterien entsprechen, für die der Ladestrom begrenzt werden muss, wobei für diese Batterien eine Strom-Umleitung gebildet wird und nur jener (jene) Schalter offen bleibt (bleiben), der (die) jener (jenen) Batterie (Batterien) entspricht (entsprechen), die die niedrigste Spannung aufweist (aufweisen).
In diesem Zustand nehmen jene Zellen 12&sub1; bis 12n, bei denen die entsprechenden Schalter 16&sub1; bis 16n geschlossen sind, Strom auf, wobei sie in der Praxis als Nebenschlusswiderstände für die zugeordneten Batterien wirken.
Die Zellen 12&sub1; bis 12n können rein ohmsche Elemente sein, wobei sie in diesem Falle einfach Strom aufnehmen und diesen durch den Jouleschen Effekt in Wärme umsetzen, oder es handelt sich vorzugsweise um aktive Elemente, wie dies später beschrieben wird, bei denen ein Teil des aufgenommenen Stroms im Batterieladegerät 8 über die Ausgänge 31&sub1; bis 31n und 32&sub1; bis 32n zurückgeführt wird.
Der Mikroprozessor 50 steuert das Batterieladegerät 8 über eine Verbindung, die über die Anschlüsse 66 und 68 hergestellt wird, so dass das Batterieladegerät 8 aus dem Netz nur jenen Stromanteil entnimmt, der notwendig ist, um den Nennladestrom zu erreichen, wobei jener Strombeitrag berücksichtigt wird, der dem Batterieladegerät 8 von den Zellen 12&sub1; ... 12n zugeführt wird, an die die Umleitungen gelegt wurden.
Der eben beschriebene Zustand dauert für ein vorgegebenes Zeitintervall an. Wenn dieses Zeitintervall vergangen ist, entfernt der Mikroprozessor 50 alle Umleitungen, indem er alle Schalter 16&sub1; bis 16n öffnet.
Daraufhin wiederholt der Mikroprozessor 50 der Reihe nach alle eben beschriebenen Schritte, bis alle Batterien die gleiche standardisierte Spannung erreicht haben, worauf der Spannungsabgleichvorgang beendet ist und die Wiederaufladung in Übereinstimmung mit normalen Verfahren erfolgen kann, mit Ausnahme von fortlaufenden Spannungsprüfungen und einer Wiederaufnahme des Abgleichvorgangs, falls dies notwendig ist.
Die Arbeitsweise der Zelle 12&sub1; wird im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben, wobei diese Beschreibung ident auch auf alle anderen Zellen angewandt werden kann.
Wenn der Schalter 16&sub1; offen ist, fließt in der Zelle 12&sub1; kein Strom. Wenn dieser Schalter geschlossen ist, ändert sich der MOSFET zyklisch vom gesperrten in den gesättigten Zustand, wobei er mit dem Zerhackersignal angesteuert wird, das vom Mikroprozessor 50 über die Anschlüsse 58 und 60 stammt. Dadurch wird in der Sekundärwicklung 120 des Transformators 111 ein Wechselstrom erzeugt, der vom Gleichrichter 122 gleichgerichtet und vom Kondensator 124 geglättet wird. Dieser Strom wird an das Batterieladegerät gelegt, wobei man eine Energieeinsparung erreicht, da das Batterieladegerät 8, das vom Mikroprozessor 50 gesteuert wird, aus dem Netz nur die Differenz zwischen jenem Wert, der nominell notwendig ist, und jenem Wert entnimmt, der von der Zelle 12&sub1; zurückgeführt wird.
Selbstverständlich bleibt die Grundlage der Erfindung gleich, wobei Einzelheiten im Aufbau sowie Formen der Erfindung gegen über der Beschreibung und den Zeichnungen weit verändert werden können, ohne dadurch vom Bereich dieser Erfindung abzuweichen, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen festgelegt ist. Im besonderen können die Schaltelemente der Zellen 12&sub1; bis 12n weit verändert werden, die Schalter 16&sub1; bis 16p sowie die Schalter 20&sub1; bis 20n+1 können in den Zellen 12&sub1; bis 12n enthalten sein und der Mikroprozessor 50 kann im Batterieladegerät 8 enthalten oder jener Mikroprozessor sein, der sich bereits im Fahrzeug befindet.

Claims

1. Verfahren zum Abgleichen der Spannungen an den Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge, wobei die Antriebsbatterien während der Wiederaufladung in Serie geschaltet sind, mit Hilfe eines Batterieladegeräts, das mit dem Stromnetz außerhalb des Fahrzeugs verbunden ist und dessen positiver Ausgang mit dem positiven Anschluss der ersten Batterie in der Serienschaltung verbunden ist und dessen negativer Ausgang mit dem negativen Anschluss der letzten Batterie in der Serienschaltung verbunden ist, wobei das Verfahren nacheinander und in der Reihenfolge folgende Schritte enthält:

a) Beginn mit dem Wiederaufladen der Batterien;

b) Messen und Speichern der Spannung (V&sub1; bis Vn) an jeder Batterie (1 bis n) sowie deren Temperatur (T&sub1; bis Tn);

c) Herleiten und Speichern für jede Batterie (1 bis n) einer standardisierten Spannung, die man dadurch erhält, dass an die jeweilige gemessene Spannung (V&sub1; bis Vn) ein Korrekturfaktor angelegt wird, der von der jeweiligen gemessenen Temperatur (T&sub1; bis Tn) abhängt,

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiters nacheinander und in der Reihenfolge folgende Schritte aufweist:

d) Feststellen, welcher Batterie/welchen Batterien die niedrigste standardisierte Spannung entspricht;

e) Anlegen einer Strom-Umleitung an alle Batterien (1 bis n) mit standardisierten Spannungen, die höher als die niedrigste standardisierte Spannung sind;

f) Fortfahren mit der Wiederaufladung der Batterien (1 bis n) für ein vorgegebenes Zeitintervall;

g) Beseitigen aller angelegten Umleitungen;

h) Wiederholen der Schritte b) bis g), bis alle Batterien (1 bis n) gleiche standardisierte Spannungswerte besitzen, und dann Beenden des Abgleichvorgangs.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1, wobei ein Batterieladegerät (8) eine Vielzahl von Batterien (1 bis n) wiederauflädt, die in Serie geschaltet sind, wobei das Batterieladegerät (8) mit seinem positiven Ausgang am positiven Anschluss der ersten Batterie der Serienschaltung liegt und mit seinem negativen Ausgang am negativen Anschluss der letzten Batterie der Serienschaltung liegt, wobei die Vorrichtung enthält:

- einen Mikroprozessor (50), um das Batterieladegerät zu steuern;

- Einrichtungen (20&sub1; bis 20n+1) und (64&sub1; bis 64n), die vom Mikroprozessor (50) gesteuert werden, damit der Mikroprozessor (50) die Spannung (V&sub1; bis Vn) an jeder Batterie (1 bis n) bzw. deren Temperatur (T&sub1; bis Tn) messen kann, um die Spannung und die Temperatur im Mikroprozessor (50) zu speichern, wobei der Mikroprozessor (50) so aufgebaut ist, um für jede Batterie (1 bis n) eine standardisierte Spannung herzuleiten und zu speichern, die man dadurch erhält, dass an die jeweilige gemessene Spannung (V&sub1; bis Vn) ein Korrekturfaktor angelegt wird, der von der jeweiligen gemessenen Temperatur (T&sub1; bis Tn) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (50) so aufgebaut ist, um festzustellen, welcher Batterie/welchen Batterien die niedrigste standardisierte Spannung entspricht, und dass die Vorrichtung weiters enthält:

- eine Einrichtung (16&sub1; bis 16n; 12&sub1; bis 12n), die vom Mikroprozessor (50) gesteuert wird, um an jene Batterien eine Strom-Umleitung anzulegen, deren standardisierte Spannungswerte höher als der niedrigste standardisierte Spannungswert sind, wodurch nur die Batterie/Batterien mit der niedrigsten standardisierten Spannung mit einem höheren Strom wiederaufgeladen werden.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Umleitung dadurch erreicht wird, dass der Ladestrom in aktive Zellen (12&sub1; bis 12n) abgeleitet wird, die einen Teil des Stroms zurückführen können, der vom Batterieladegerät (8) geliefert wird.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede aktive Zelle (12&sub1; bis 12n) ein optisches Trennelement (105) enthält, das mit den Ausgängen (58, 60) des Mikroprozessors (50) verbunden ist, um von diesem ein Zerhackersignal zu empfangen, wobei das optische Trennelement (105) mit einer Treiberstufe (107) verbunden ist, die an einer MOSFET-Stufe (109) liegt; das optische Trennelement (105), die Treiberstufe (107) und der MOSFET (109) mit dem negativen Anschluss der zugeordneten Batterie (1) verbunden sind; das optische Trennelement (105) und die Treiberstufe (107) für eine EIN/AUS-Schaltung der Zelle (12&sub1;) am ersten Anschluss des zugeordneten Schalters (16&sub1;) liegen, wobei der MOSFET (109) mit der Primärwicklung (110) eines Transformators (111) verbunden ist, wobei die Primärwicklung (110) über einen Kondensator (112) am negativen Pol der Batterie (1) liegt und über einen Gleichrichter (113) am positiven Pol der Batterie (1) liegt; die Anode des Gleichrichters (113) mit dem positiven Pol der Batterie (1) und mit dem zugeordneten Schalter (20&sub1;) verbunden ist, um die Spannung der Batterie (1) zu messen; die Sekundärwicklung (120) des Transformators (111) über einen dazwischengeschalteten Gleichrichter (122) am positiven Pol des Batterieladegeräts (8) liegt; und ein Kondensator (124) zwischen der Kathode des Gleichrichters (122) und dem negativen Pol des Batterieladegeräts (8) liegt.