DE69510769T2

DE69510769T2 - Verfahren zur regelung der ladung eines elektrischen akkumulatorsystemes und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE69510769T2
Application number: DE69510769T
Authority: DE
Inventors: Michel Perelle
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1994-10-18
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2015-10-14
Also published as: KR970702606A; WO1996012333A1; JPH09507378A; EP0734605B1; FR2725849B1; DE69510769D1; US5677613A; EP0734605A1; FR2725849A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ladung eines Systems vom Typ eines elektrischen Akkumulators und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Wie bekannt ist, besteht ein solches System herkömmlicherweise aus einer Vielzahl von Zellen, die in gleicher Weise aus einem oder mehreren elektrochemischen Elementen bestehen, die selbst gleich vorgesehen sind und die mit ihren jeweiligen Versorgungsanschlüssen in Reihe verbunden sind.
Die Ladung eines solchen Systems mittels eines mit den Endanschlüssen des Systems verbundenen Ladegeräts geschieht im allgemeinen nicht in gleichmäßiger Weise für alle Zellen. Tatsächlich variieren die elektrischen und chemischen Eigenschaften der Zellen desselben Systems während der Zeit und in Abhängigkeit von den Nutzungsbedingungen des Systems. Das äußert sich insbesondere durch die Tatsache, daß die verschiedenen Zellen desselben Systems beim Wiederaufladen ihre vollen Ladungen nicht gleichzeitig erreichen.
Es ist somit bekannt, am Ende der Aufladung eines Systems, das eine Vielzahl von Zellen aufweist, einen Strom aufrechtzuerhalten, um eine vollständige Aufladung aller Zellen einschließlich derjenigen sicherzustellen, die beim Wiederaufladen die langsamsten sind. Eine solche Lösung ist jedoch nicht ohne Nachteil, weil die Zellen, die als erste ihre vollständige Aufladung erreicht haben unnützerweise vom Ladestrom durchflossen werden, der sie erwärmt und Gefahr läuft, Gasfreisetzungen und eventuelle im Fall von Zellen, die aus verschlossenen Elementen bestehen, Überdrücke hervorzurufen.
Eine bekannte Lösung, um dem abzuhelfen, besteht in der Regelung des Ladestroms jeder Zelle in Abhängigkeit von der an ihren Anschlüssen vorhandenen Spannung mittels einer Schaltung, die gestattet, am Ende der Aufladung der Zelle ausgehend von einer Schwelle der Spannung, die diese Ladung ausdrückt, einen immer größeren Teil dieses Stroms außerhalb der Zelle abzuzweigen. Eine solche Lösung ist jedoch im Fall eines Systems mit großer Kapazität, das Ströme mit großer Stromstärke liefern soll, wie es zum Beispiel die Systeme sind die für Fahrzeuge bestimmt sind, die für ihren Antrieb elektrisch mit Energie versorgt werden, nicht völlig zufriedenstellend. In der Tat sind die Ströme, die für die Wiederaufladung solcher Systeme notwendig sind, fähig, auch eine große Stromstärke zu haben, was dazu führt, daß die abzuzweigenden ströme auch eine erhöhte Stromstärke haben und daß die zum Zwecke der Regelung dissipierten Leistungen am Ende der Aufladung groß sind.
Die Erfindung schlägt daher ein Verfahren zur Regelung des von einem Ladegerät zu den Endanschlüssen eines Systems vom Typ eines elektrischen Akkumulators, der aus einer Vielzahl von Zellen besteht, die jeweils aus einer oder mehreren elektrochemischen Elementen bestehen und durch ihre jeweiligen Versorgungsanschlüsse in Reihe verbunden sind, gelieferten Stroms vor, wobei jede Zelle mit einer individuellen Schnittstelle versehen ist, die Mittel zum Messen der zwischen ihren Versorgungsanschlüssen vorhandenen Spannung, Mittel zum Abzweigen eines Teils des zu dieser Zelle gelieferten Ladestroms, wenn die gemessene Spannung über einem Schwellenwert liegt, sowie Mittel zum Liefern vom Meßsignalen an eine Steuereinheit des Ladegeräts aufweist.
Erfindungsgemäß sieht das Verfahren eine fortschreitende Verringerung des Ladestroms durch die Steuereinheit des Ladegeräts zum System vor, wenn von wenigstens einer der Schnittstellen ein Strommeßsignal, das den an der betrachteten Schnittstelle abgezweigten Ladestrom darstellt, empfan gen wird, solange der zum System gelieferte Ladestrom größer als die Summe der Ströme ist, die durch die Schnittstellen abgezweigt werden können, wobei der Ladestrom danach bis zum Empfang eines Strommeßsignals, das eine Tätigkeit der Abzweigungsmittel für alle Schnittstellen der Zellen des Systems ausdrückt auf derselben Stromstärke gehalten wird.
Die Erfindung schlägt auch eine Vorrichtung vor, die wenigstens zeitweise ein Ladegerät mit einem System vom Typ eines elektrischen Akkumulators verbindet, an dessen Endanschlüsse dieses Ladegerät angeschlossen wird, wobei das System aus einer Vielzahl von Zellen besteht, die in gleicher Weise eines oder mehrere elektrochemische Elemente umfassen und die durch ihre jeweiligen Versorgungsanschlüsse in Reihe verbunden sind. Jede Zelle des Systems ist dort mit einer individuellen Schnittstelle versehen vorgesehen, die Mittel zum Messen der zwischen ihren Versorgungsanschlüssen vorhandenen Spannung, Mittel zum Abzweigen eines Teils des zur Zelle gelieferten Ladestroms, wenn die gemessene Spannung über einem Schwellenwert liegt, sowie Mittel zum Liefern von Meßsignalen an eine Steuereinheit des Ladegeräts aufweist.
Erfindungsgemäß übertragen die Liefermittel für das Meßsignal jeder Schnittstelle ein Stromsignal, das den an der betrachteten Schnittstelle abgezweigten Ladestrom darstellt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Vorrichtung Zeitgebermittel auf, die gestatten, die Liefermittel für das Meßsignal jeder der Schnittstellen nacheinander und periodisch zu aktivieren, und daß diese Liefermittel ihre jeweiligen Strommeßsignale zum selben Wandler liefern, der als Schnittstelle gegenüber der Steuereinheit des Ladegeräts dient.
Die Erfindung, ihre Merkmale und ihre Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den unten genannten Figuren genauer angegeben.
Fig. 1 zeigt ein Schema einer Ladevorrichtung für ein elektrisches Akkumulatorsystem gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Steuerungsdiagramm bezüglich des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens.
Die in Fig. 2 vorgeschlagene Vorrichtung zeigt ein modulares System 1 vom Typ eines elektrischen Akkumulators, der aus einer Vielzahl von gleichen Zellen 2 bestehend angenommen wird, die durch ihre jeweiligen Versorgungsanschlüsse in Reihe verbunden sind, die mit "+" und "-" bezeichnet sind.
Alle Zellen dort sind in gleicher Weise aus einem oder mehreren elektrochemischen Elementen aufgebaut, die ebenfalls praktisch gleich sind.
Das System 1 ist fähig, wenigstens zeitweise an ein Ladegerät 3 mit Versorgungsanschlüssen angeschlossen zu werden, von welchem das System durch mit A und B bezeichnete Endanschlüsse verbunden ist. Das Ladegerät kann von einem bekannten Typ sein, es wird mit einer Steuereinheit 4 ausgestattet angenommen, die gestattet, insbesondere die Stärke des Ladestroms I, die es an das System 1 liefert, zu regeln. Die Steuereinheit 4 ist beispielsweise um ein nicht dargestelltes Mikrosteuergerät herum eingerichtet, das insbesondere zum Empfangen von Meßsignalen, die gestatten, die Aufladung in Abhängigkeit von der Entwicklung des Ladezustands des Systems zu steuern, und um Steuersignal zum eigentlichen Ladegerät zu übertragen, Eingangs/Ausgangs-Ports aufweist. Diese verschiedenen Elemente sind dem Fachmann bekannt, und sie werden somit hier nicht dargelegt. Bei der betrachteten Ausführung ist jeder Zelle 2 des Systems 1 eine individuelle Schnittstelle 5 zugewiesen, und sie ist mit den Versorgungsanschlüssen "+", "-" der Zelle 2 verbunden, der sie zugewiesen ist.
Jede Schnittstelle 5 weist insbesondere Mittel auf, die ihr gestatten, die zwischen den Versorgungsanschlüssen "+", der Zelle 2, der sie zugeordnet ist, vorhandene Spannung V zu messen. Diese Meßmittel sind beispielsweise mittels eines Differenzverstärkers 7 aufgebaut, dessen Umkehranschluß mit einem zwei Widerständen 8 und 9 einer Teilerbrücken gemeinsamen Punkt verbunden ist, die zwischen den Anschlüssen "+", "-" der Zelle angeschlossen ist, und dessen nicht umkehrender Anschluß mit einem Punkt verbunden ist, der einer eine Zenerdiode 10 umfassenden Schaltung und einem in Reihe zwischen den oben genannten Anschlüssen "-" und "+" verbundenen Widerstand 11 gemeinsam ist, so daß der Ausgang des Verstärkers ein Steuersignal an die Basis eines Transistors 12 liefert, wenn die an den Anschlüssen der Zelle gemessene Spannung V einen durch die Diode 10 festgelegten Schwellenwert VS übersteigt.
Der Transistor 12 vom pnp-Typ ist durch seinen Kollektor über einen Widerstand 13 mit dem Anschluß "-" der Zelle und durch seinen Emitter mit dem Anschluß "+" dieser Zelle verbunden. Er gestattet, einen Teil des vom Ladegerät 3 an die Zelle, der er zugewiesen ist, gelieferten Ladestroms Ic abzuzweigen. Diese Entladung erfolgt in einem Widerstand, der ein Stromabsorberelement bildet, wenn die an den Anschlüssen dieser Zelle erhaltene Spannung den Schwellenwert VS übersteigt, wobei dieser letztere so gewählt ist, daß vermieden wird, daß das System unnötig und nachteilig von einem am Ende der Aufladung zu großen Ladestrom durchflossen wird.
Jede Schnittstelle 5 weist auch Mittel auf, die ihr gestatten, Strommeßsignale zu liefern. Diese Mittel liefern hier ein Meßsignal i, das das Vorhandensein eines an der Schnittstelle mittels des Transistors 12 zum Widerstand 13 abgezweigten Stroms Id ausdrückt. Dieses Meßsignal i ist hier ein Strom, der zu einem Meßwandler 14 der Vorrichtung übertragen wird, der mit dem Kollektor des Transistors 12 jeder Schnittstelle 5 über einen Schalter 15 zum Verbinden für jede Schnittstelle verbunden gezeigt ist. Der Schalter 15 jeder Schnittstelle wird beispielsweise periodisch gesteuert, was mittels der Zeitgebermittel 16 der Vorrichtung geht, die beispielsweise einen Folgeschalter aufweisen, der hier als zu einer Steuereinheit 4 des Ladegeräts gehörig angenommen wird, in welche dieser Folgeschalter eventuell eingebaut ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform steuert der Folgeschalter nacheinander die verschiedenen Schnittstellen 5, die durch eine gemeinsame Steuerverbindung 17 untereinander in Reihe verbunden sind, durch Absendung einer Steuerimpulsfolge.
Jede Schnittstelle 5 weist an sich bekannte Aktivierungsmittel 18, die die Aussendung wenigstens eines Meßsignals bei Empfang eines ersten Steuerimpulses nach einem vorbestimmten Mindestzeitraum triggern. Diese Aktivierungsmittel 18 sind hier in an sich bekannter Weise angeordnet angenommen, um nur den ersten Steuerimpuls zu berücksichtigen, den sie empfangen, und um den oder die eventuellen direkt folgenden Impulse mit Ziel Schnittstelle oder Schnittstellen 5 übertragen, die sich auf der Verbindung 17 stromabwärts befinden und für die diese Impulse bestimmt sind.
Der Meßwandler 14 empfängt die von den Schnittstellen 5 nacheinander gelieferten Meßsignale, diese Signale, hier in Form eines Stromes, versorgen beispielsweise einen Meßwiderstand 19, der zu einer Meßvorrichtung 20 gehört, die beispielsweise gestattet, die ausgeführten Messungen zu digitalisieren und eventuelle vorzuverarbeiten, bevor sie über eine Verbindung 21 zur Steuereinheit 4 übertragen werden.
Zu Beginn der Aufladung oder Wiederaufladung des Systems 1 und während der vom Ladegerät 3 an dieses System 1 gelieferte Strom I maximal ist, wie durch den Teil I des Diagramms 2A gezeigt, erhöht sich die Spannung an den Anschlüs sen dieser Zellen während der Zeit, wie für eine Zelle im Teil I des Diagramms 2B gezeigt, sowie diejenige an den Anschlüssen des Systems. Es tritt ein Zeitpunkt ein, zu dem die Spannung V an den Anschlüssen wenigstens einer der Zellen 2 während der Aufladung einen Schwellenwert VS erreicht, von dem an ein Teil Id des für diese Zelle bestimmten Ladestroms über die Verbindung Emitter-Kollektor des Transistors 12 und wegen der Leitung des Transistors 12 den Widerstand 13 der zugehörigen Schnittstelle abgezweigt wird, wie im Diagramm 2C sinnbildlich dargestellt.
Diese Schnittstelle liefert dann an den Wandler 14 ein Meßsignal i, das durch Stromabnahme am dem Transistor 12 und dem Widerstand 13 gemeinsamen Punkt gebildet wird und angenommen wird, wenn der Schalter 15 gesteuert wird, was mittels der Aktivierungsmittel 18 der Schnittstelle geht, wobei diese letztere von den Zeitgebermitteln der Vorrichtung 16 getriggert werden.
Das Meßsignal, hier mit impulsartigem Verlauf, wird von der Steuereinheit 4 eventuell nachdem es vorverarbeitet wurde, berücksichtigt und bei der Meßvorrichtung 20 digitalisiert. Ein Steuersignal, wie bei II im Diagramm 2D gezeigt, wird von der Steuereinheit 4 zum Ladegerät 3 gesendet, es führt zu einer Verringerung des vom Ladegerät zum System 1 gelieferten Stroms.
In der Folge erniedrigt sich die Spannung an den Anschlüssen sowohl der Zellen als auch des Systems, so wie es bei II des Diagramms 2B für die bereits betrachtete Zelle zu sehen ist.
Bei einer Ausführungsform wird dies Stromverringerung angehalten, sobald die von den Schnittstellen erhaltenen Meßsignale die Tatsache ausdrücken, daß es keine Stromabzweigung bei irgendeiner der Schnittstellen 5 der Zellen des Systems 1 mehr gibt, wenn die Spannungen, die jeweils zwischen den Versorgungsanschlüssen aller einzeln genommenen Zellen vorhanden sind, alle unter dem Schwellenwert VS liegen.
Die Aufladung der Zellen wird dann mit einer Stromstärke fortgesetzt, die derjenigen entspricht, die zu dem Zeitpunkt definiert wurde, zu dem die Verringerung gestoppt wurde. Die Aufrechterhaltung der Lieferung dieses Ladestroms I zum System 1 bewirkt eine neue fortschreitende Erhöhung der Spannungen, die jeweils an den Anschlüssen der Zellen 2 vorhanden sind, und eine Funktionsphase des Systems 1 und des Ladegeräts, die zur oben beschriebenen analog ist. Diese neue Funktionsphase, die in den Diagrammen der Fig. 2 mit III bezeichnet ist, kann sich eines oder mehrere Male wiederholen, wie in dieser Fig. 2 gezeigt.
Zum Ende eines Auflade- oder Wiederaufladebetriebs bringt eine Verringerung des vom Ladegerät gelieferten Stroms diesen Strom dazu, geringer als ein Schwellen Wert IS zu werden, der der Summe der Ströme entspricht, die durch die Schnittstellen abgezweigt werden können.
Wenigstens einige der Zellen können dann voll aufgeladen sein und liefern dann ein Strommeßsignal, das die Funktion ihrer jeweiligen Abzweigungsmittel ausdrückt. Andere Zellen erfordern noch eine Vervollständigung der Aufladung, was zu einer Aufrechterhaltung des vom Ladegerät an das System gelieferten Stroms führt, wie es in der Phase symbolisch dargestellt ist, die in den Diagrammen der Fig. 2 mit IV bezeichnet ist, und dies trotz des Vorhandenseins von Strommeßsignalen, die vorher zu einer neuen Verringerung des Ladestroms führten.
Die Unterdrückung des Ladestroms I oder eventuell der Übergang zu einem Erhaltungsstrom, der sehr viel geringer als ein Ladestrom ist, wird dann von der Steuereinheit 4 gesteuert, wenn alle Schnittstellen Strommeßsignale liefern, die für die Funktion ihrer Abzweigungsmittel bezeichnend sind, wobei diese Unterdrückung oder diese Verringerung eventuell verzögert ist, wie bei V in Fig. 2 gezeigt.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des von einem Ladegerät (3) zu den Endanschlüssen eines Systems (1) vom Typ eines elektrischen Akkumulators, der aus einer Vielzahl von Zellen (2) besteht, die jeweils aus einer oder mehreren elektrochemischen Elementen bestehen, die gleich und durch ihre jeweiligen Versorgungsanschlüsse in Reihe verbunden sind, gelieferten Stroms, wobei jede Zelle mit einer individuellen Schnittstelle (5) versehen ist, die Mittel zum Messen der zwischen ihren Versorgungsanschlüssen vorhandenen Spannung (V), Mittel (12, 13) zum Abzweigen eines Teils (Id) des zu dieser Zelle gelieferten Ladestroms (I), wenn die gemessene Spannung über einem Schwellenwert (VS) liegt, sowie Mittel (15) zum Liefern von Meßsignalen an eine Steuereinheit (4) des Ladegeräts aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß es eine fortschreitende Ver ringerung des Ladestroms durch die Steuereinheit des Ladegeräts zum System vorsieht, wenn von wenigstens einer der Schnittstellen ein Strommeßsignal (i), das den an der betrachteten Schnittstelle abgezweigten Ladestrom (Id) darstellt, empfangen wird und solange der zum System gelieferte Ladestrom (I) größer als die Summe der Ströme (Id) ist, die fähig durch die Schnittstellen abgezweigt werden können,

wobei der Ladestrom (I) danach bis zum Empfang eines Strommeßsignals, das eine Tätigkeit der Abzweigungsmittel für alle Schnittstellen der Zellen des Systems ausdrückt, auf derselben Stromstärke gehalten wird.

2. Vorrichtung, die wenigstens zeitweise ein Ladegerät (3) mit einem System (1) vom Typ eines elektrischen Akkumulators verbindet, der aus einer Vielzahl von gleichen elektrochemischen Zellen (2) besteht, die durch ihre jeweiligen Versorgungsanschlüsse (+, -) in Reihe mit Endanschlüssen (A, B) verbunden sind, an welche dieses Ladegerät angeschlossen wird, wobei jede Zelle des Systems mit einer individuellen Schnittstelle (5) versehen ist, die Mittel (7 bis 11) zum Messen der zwischen ihren Versorgungsanschlüssen vorhandenen Spannung (V), Mittel (12, 13) zum Abzweigen eines Teils des zur Zelle gelieferten Ladestroms, wenn die gemessene Spannung (V) über einem Schwellenwert (VS) liegt, sowie Mittel (15) zum Liefern von Meßsignalen an eine Steuereinheit (4) des Ladegeräts aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Liefermittel für das Meßsignal jeder Schnittstelle ein Stromsignal (1) übertragen, das den an der betrachteten Schnittstelle abgezweigten Ladestrom (Id) darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Zeitgebermittel (16) aufweist, die gestatten, die Liefermittel (15) für das Meßsignal jeder der Schnittstellen nacheinander und periodisch zu aktivieren, und daß diese Liefermittel ihre jeweiligen Strommeßsignale zum selben Wandler (14) liefern, der als Schnittstelle gegenüber der Steuereinheit (4) des Ladegeräts dient.