WO2010060400A2 - Method and device for charging batteries - Google Patents

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    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for charging of rechargeable batteries, which consist of a series circuit of single-cell arrangements each comprising one or more parallel-connected individual cells, according to the preambles of claims 1 and 4.
  • Batteries with a high nominal voltage consist of a series circuit of single-cell arrangements of one or more individual cells connected in parallel, each having only nominal voltages in the single-digit volts range.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for charging PHg of batteries, which consist of a series connection of single cell arrangements of one or more parallel single cells, which simplifies monitoring of single-cell arrangements and prevents overcharging.
  • the single cell arrays can be charged to their respective rated voltage or up to 80% of their maximum capacity.
  • the single-cell arrangements can be charged at least partially with a time delay.
  • the chargers may include switched mode power supplies. As a result, electrical losses of the chargers are minimized.
  • the switching power supply chargers are commercially available mass-produced goods with a performance in the 100 watt range.
  • a battery 10 from a series circuit of single cell arrangements Z 1 ... Z N and chargers L 1 ... L N and a control circuit 12 are shown.
  • the individual cell arrangements Z 1 ... Z N each consist of a plurality of parallel-connected single cells 14 based on lithium ions.
  • Lithium-ion batteries are characterized by a high energy density and low self-discharge and have no memory effect.
  • the capacity loss during the operating time depends on the age, the operating and ambient temperature and the state of charge. In order to minimize the capacity loss, a charge state between 40% and 80% of the maximum charge should be aimed for, which can be achieved by short charging cycles.
  • the nominal voltage of the single cells 14 depends on the cathode material and is between 3.3 and 3.8 volts, in conventional lithium-ion batteries at 3.6 volts.
  • the nominal voltage of the single cells 14 depends on the cathode material and is between 3.3 and 3.8 volts, in conventional lithium-ion batteries at 3.6 volts.
  • each single-cell arrangement Z 1 ... Z N is connected to its own charging device L 1 ... L N, which is galvanically isolated from other charging devices.
  • the chargers L 1 ... L N comprise switched-mode power supplies whose power is dimensioned for the charging power of the single-cell arrangement Z 1 ... Z N.
  • the switching power supplies are on the primary side a supply source 16, z. B. household electricity, wind or solar generator connected.
  • the chargers L 1 ... L N in turn are controlled by the control circuit 12 via control lines S 1 ... S N.
  • the chargers L 1 ... L N are offset in time or activated simultaneously. If no three-phase power connection is available for a high charging power, alternatively two or more separately fused single-phase household sockets with 230 V voltage can be used, to which separate charging boxes with separate chargers are connected. With three 16 A fuses, a maximum of approx. 10 kW of charging power could then be used.
  • the control circuit 12 monitors the state of charge of the single-cell arrangement Z 1 ... Z N and regularly terminates the charge as soon as the nominal voltage of the individual cells 14 or 80% of the maximum charge has been reached. In the event that the battery 10 is immediately discharged again during operation following the charging process, the single-cell arrangements Z 1 ... Z N can also be charged up to their charge-end voltage of approximately 4 r 2 V.
  • the control circuit 12 monitors the state of charge of the individual cell arrangements Z 1 ... Z N and regularly interrupts the discharge as soon as the charging state of the individual cell arrangements Z 1 ... Z N reaches 40% of the maximum charge.
  • the individual cell arrangements Z 1 ... Z N can however also be discharged to their discharge final voltage of approximately 2.5V.

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Abstract

The invention relates to a method and a device for charging batteries. When batteries that consist of individual cell systems (Z1, ZN), each having one or more individual cells (14) connected in parallel and said individual cell systems being connected in series, are charged, every individual cell system of the series connection is charged by its own battery charger (L1, LN) which is galvanically separate from other battery chargers.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ladung von Akkus Method and device for charging batteries
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.The invention relates to a method and a device for charging of rechargeable batteries, which consist of a series circuit of single-cell arrangements each comprising one or more parallel-connected individual cells, according to the preambles of claims 1 and 4.
Das Lade-/Entladeverhalten einzelner Zellen von Akkus gleichen Typs und gleicher Bauart kann innerhalb festgelegter Toleranzgrenzen unterschiedlich sein. Akkus mit hoher Nennspannung bestehen aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen, die jeweils nur Nennspannungen im einstelligen Volt-Bereich aufweisen.The charging / discharging behavior of individual cells of rechargeable batteries of the same type and the same design can vary within specified tolerance limits. Batteries with a high nominal voltage consist of a series circuit of single-cell arrangements of one or more individual cells connected in parallel, each having only nominal voltages in the single-digit volts range.
Bei hoher Stromentnahme ist ein häufiges Laden nötig. Durch das unterschiedliche Lade-/Entladeverhalten der Einzelzellen kann es nach mehreren Lade-/Entladezyklen zu unterschiedlichen Ladezuständen kommen, die besonders in den Endzuständen, wie voll geladen oder vollständig entladen, durch Überladung bzw. Tiefentladung zu Schädigungen der Einzelzellen führen können. Zur Vermeidung solch unterschiedlicher Ladezustände müssten alle Einzelzellen des Akkus konsequent überwacht und rechtzeitig vor Erreichen der genannten Endzustände abgeschaltet werden.At high current consumption, frequent charging is necessary. Due to the different charging / discharging behavior of the individual cells, different charging states may occur after several charging / discharging cycles, which may lead to damage to the individual cells due to overcharging or total discharge, especially in the final states, such as fully charged or fully discharged. In order to avoid such different states of charge, all individual cells of the battery would have to be consistently monitored and switched off in good time before reaching the stated end states.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur La- düng von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, zu schaffen, die eine Überwachung von Einzelzellenanordnungen vereinfacht und eine Überladung verhindert.The invention has for its object to provide a method and apparatus for charging düng of batteries, which consist of a series connection of single cell arrangements of one or more parallel single cells, which simplifies monitoring of single-cell arrangements and prevents overcharging.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch Merkmale dieses Anspruchs und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 durch die Merkmale jenes Anspruchs gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.This object is achieved in a method according to the preamble of claim 1 by features of this claim and in a device according to the preamble of claim 4 by the features of that claim. Further developments and advantageous embodiments will become apparent from the respective dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Gegensatz zu einer Ladung der vollständigen Serienschaltung aus Einzelzellenanordnungen mit der Summenspannung keine vom Ladevorgang getrennte Balancierung erforderlich. Vielmehr wird jede Einzelzellenanordnung individuell geladen. Dadurch lassen sich beim Ladevorgang Unterschiede der Einzelzellenanordnungen be- rücksichtigen und eine Schädigung vermeiden. Außerdem können Ladegeräte eingesetzt werden, deren Leistung lediglich für die zugeordnete Einzelzellenanordnung bemessen ist.In the device according to the invention and the method according to the invention, in contrast to a charge of complete series connection of single cell arrangements with the sum voltage, no balancing separate from the charging process is required. Rather, each single cell array is loaded individually. As a result, differences in the individual cell arrangements can be taken into account during the charging process and damage can be prevented. In addition, chargers can be used, whose performance is dimensioned only for the associated single cell arrangement.
Die Einzelzellenanordnungen können auf ihre jeweilige Nennspannung oder bis 80% ihrer maximalen Kapazität geladen werden.The single cell arrays can be charged to their respective rated voltage or up to 80% of their maximum capacity.
Dadurch lässt sich eine Überladung einzelner Zellen vermeiden und ein Kapazitätsverlust während Zellenlebensdauer verringern. Bei kurzen Ladezyklen treten nur geringe Unterschiede der Ladungszustände von in Serie zusammengeschalteten Einzel- Zellenanordnungen auf, wodurch zur Vermeidung einer Tiefentladung eine Überwachung von Untergruppen aus mehreren in Serie zusammengeschalteten Einzelzellenanordnungen ausreicht.This can avoid overcharging individual cells and reduce capacity loss during cell life. During short charging cycles, only slight differences in the charge states of series-connected individual cell arrangements occur, whereby, in order to avoid a deep discharge, monitoring of subgroups of a plurality of series-connected single cell arrangements is sufficient.
Die Einzelzellenanordnungen können wenigstens teilweise zeitversetzt geladen wer- den.The single-cell arrangements can be charged at least partially with a time delay.
Dadurch kann die Leistungsentnahme zur Ladung an die verfügbare Leistungsabgabe einer Versorgungsquelle, z. B. Haushaltsstromanschluss, Wind- oder Solargenerator angepasst werden.This allows the power to charge to the available power output of a supply source, eg. B. household electricity, wind or solar generator can be adjusted.
Die Ladegeräte können Schaltnetzteile umfassen. Dadurch werden elektrische Verluste der Ladegeräte minimiert.The chargers may include switched mode power supplies. As a result, electrical losses of the chargers are minimized.
Vorzugsweise sind die Schaltnetzteil-Ladegeräte marktübliche Massenware mit einer Leistung im 100 Watt-Bereich.Preferably, the switching power supply chargers are commercially available mass-produced goods with a performance in the 100 watt range.
Derartige Ladegeräte sind kostengünstig und bereits zur Minimierung elektrischer Verluste entwickelt und ausgereift.Such chargers are inexpensive and already developed and mature to minimize electrical losses.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.Hereinafter, the invention will be explained with reference to an embodiment shown in the drawing.
In der Zeichnung sind ein Akku 10 aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN sowie Ladegeräte L1 ... LN und eine Steuerschaltung 12 dargestellt. Die Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN bestehen aus jeweils einer Mehrzahl parallel geschalteter Einzelzellen 14 auf Lithium-Ionen-Basis. Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aus und haben keinen Memory-Effekt. Der Kapazitätsverlust während der Betriebszeit hängt vom Alter, der Betriebs- und Umgebungstemperatur und vom Ladezustand ab. Um den Kapazitätsverlust gering zu halten, ist ein Ladezustand zwischen 40% und 80% der Ma- ximalladung anzustreben, der durch kurze Ladezyklen erreicht werden kann.In the drawing, a battery 10 from a series circuit of single cell arrangements Z 1 ... Z N and chargers L 1 ... L N and a control circuit 12 are shown. The individual cell arrangements Z 1 ... Z N each consist of a plurality of parallel-connected single cells 14 based on lithium ions. Lithium-ion batteries are characterized by a high energy density and low self-discharge and have no memory effect. The capacity loss during the operating time depends on the age, the operating and ambient temperature and the state of charge. In order to minimize the capacity loss, a charge state between 40% and 80% of the maximum charge should be aimed for, which can be achieved by short charging cycles.
Die Nennspannung der Einzelzellen 14 hängt vom Katodenmaterial ab und liegt zwischen 3,3 und 3,8 Volt, bei konventionellen Lithium-Ionen-Akkus bei 3,6 Volt. Durch Parallelschalten von handelsüblichen Einzelzellen 14 mit einer Kapazität von je 2Ah zu Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN und einer Serienschaltung derartiger Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN kann ein Akku für die benötigte Summenspannung N * Uz, Leistung und Kapazität eines Elektroantriebs für ein Fahrzeug ausgelegt werden.The nominal voltage of the single cells 14 depends on the cathode material and is between 3.3 and 3.8 volts, in conventional lithium-ion batteries at 3.6 volts. By parallel connection of commercially available single cells 14 with a capacity of each 2Ah to single-cell arrangements Z 1 ... Z N and a series connection of such single cell arrangements Z 1 ... Z N can be a battery for the required sum voltage N * U z , power and capacity of an electric drive be designed for a vehicle.
Zum Laden des Akkus 10 ist jede Einzelzellenanordnung Z1 ... ZN mit einem eigenen, von anderen Ladegeräten galvanisch getrennten Ladegerät L1 ... LN verbunden. Die Ladegeräte L1 ... LN umfassen Schaltnetzteile, deren Leistung für die Ladeleistung der Einzelzellenanordnung Z1 ... ZN bemessen ist. Die Schaltnetzteile sind primärseitig an eine Versorgungsquelle 16, z. B. Haushaltsstromanschluss, Wind- oder Solargenerator angeschlossen. Die Ladegeräte L1 ... LN ihrerseits werden über Steuerleitungen S1 ... SN von der Steuerschaltung 12 gesteuert.For charging the battery 10, each single-cell arrangement Z 1 ... Z N is connected to its own charging device L 1 ... L N, which is galvanically isolated from other charging devices. The chargers L 1 ... L N comprise switched-mode power supplies whose power is dimensioned for the charging power of the single-cell arrangement Z 1 ... Z N. The switching power supplies are on the primary side a supply source 16, z. B. household electricity, wind or solar generator connected. The chargers L 1 ... L N in turn are controlled by the control circuit 12 via control lines S 1 ... S N.
Im Ladebetrieb werden je nach verfügbarer Anschlussleistung der Versorgungsquelle 16 die Ladegeräte L1 ... LN zeitlich versetzt oder gleichzeitig aktiviert. Steht für eine hohe Ladeleistung kein Drei-Phasen-Kraftstromanschluss zur Verfügung, können alternativ auch zwei oder weitere getrennt abgesicherte Ein-Phasen- Haushaltssteckdosen mit 230 V Spannung genutzt werden, an die getrennte Ladeka- bei mit gesonderten Ladegeräten angeschlossen werden. Bei drei 16 A Absicherungen könnte dann maximal ca. 10 kW Ladeleistung genutzt werden.In charging mode, depending on the available power of the supply source 16, the chargers L 1 ... L N are offset in time or activated simultaneously. If no three-phase power connection is available for a high charging power, alternatively two or more separately fused single-phase household sockets with 230 V voltage can be used, to which separate charging boxes with separate chargers are connected. With three 16 A fuses, a maximum of approx. 10 kW of charging power could then be used.
Die Steuerschaltung 12 überwacht den Ladezustand der Einzelzellenanordnung Z1 ... ZN und beendet die Ladung regulär, sobald die Nennspannung der Einzellzellen 14 oder 80% der Maximalladung erreicht sind. Für den Fall, dass im Anschluss an den Ladevorgang der Akku 10 im Betrieb gleich wieder entladen wird, können die Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN aber auch bis zu ihrer Ladeschlussspannung von ca. 4r2 V geladen werden.The control circuit 12 monitors the state of charge of the single-cell arrangement Z 1 ... Z N and regularly terminates the charge as soon as the nominal voltage of the individual cells 14 or 80% of the maximum charge has been reached. In the event that the battery 10 is immediately discharged again during operation following the charging process, the single-cell arrangements Z 1 ... Z N can also be charged up to their charge-end voltage of approximately 4 r 2 V.
Im Entladebetrieb überwacht die Steuerschaltung 12 den Ladezustand der Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN und unterbricht regulär die Entladung, sobald der Ladzustand der Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN 40% der Maximalladung erreicht. Für den Fall, dass im Anschluss an den Entladevorgang der Akku 10 gleich wieder geladen wird, können die Einzelzellenanordnungen Z1 ... ZN aber auch bis zu ihrer Entlade- Schlussspannung von ca. 2,5 V entladen werden. In the discharge operation, the control circuit 12 monitors the state of charge of the individual cell arrangements Z 1 ... Z N and regularly interrupts the discharge as soon as the charging state of the individual cell arrangements Z 1 ... Z N reaches 40% of the maximum charge. In the event that the battery 10 is recharged immediately following the discharge process, the individual cell arrangements Z 1 ... Z N can however also be discharged to their discharge final voltage of approximately 2.5V.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzel- lenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelzellenanordnung der Serienschaltung durch ein eigenes, von anderen Ladegeräten galvanisch getrenntes Ladegerät geladen wird.1. A method for charging of rechargeable batteries, which consist of a series connection of individual cell arrays of one or more parallel single cells, characterized in that each single cell array of the series circuit is charged by its own, galvanically isolated from other chargers charger.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellenanordnungen auf ihre jeweilige Nennspannung oder bis 80% ihrer maximalen Kapazität geladen werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the single cell arrays are charged to their respective nominal voltage or up to 80% of their maximum capacity.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen- anordnungen wenigstens teilweise zeitversetzt geladen werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the Einzelzellen- arrangements are charged at least partially offset in time.
4. Vorrichtung zur Ladung von Akkus, die aus einer Serienschaltung von Einzelzellenanordnungen aus jeweils einer oder mehreren parallelgeschalteten Einzelzellen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelzellenanordnung der Serien- Schaltung mit einem eigenen, von anderen Ladegeräten galvanisch getrennten Ladegerät verbunden ist.4. A device for charging of rechargeable batteries, which consist of a series circuit of single cell arrangements of one or more parallel single cells, characterized in that each single cell array of the series circuit is connected to its own, galvanically isolated from other chargers charger.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ladespannung der Ladegeräte gleich der jeweilige Nennspannung der Einzelzellen- anordnungen ist.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the maximum charging voltage of the chargers is equal to the respective rated voltage of the Einzelzellen- arrangements.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegeräte mit einer Zeitsteuerschaltung gekoppelt sind, mittels der Lagevorgänge wenigstens teilweise zeitversetzt gesteuert sind.6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the chargers are coupled to a timing circuit, are controlled by means of the positional operations at least partially offset in time.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegeräte Schaltnetzteile umfassen. 7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the chargers comprise switching power supplies.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltnetzteil-Ladegeräte marktübliche Massenware mit einer Leistung im 100 Watt-Bereich sind.8. The device according to claim 7, characterized in that the switched-mode power supply chargers are customary mass-produced goods with a power in the 100 watt range.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegeräte gruppenweise an mehrere getrennt abgesicherte Ein-Phasen- Haushaltssteckdosen mit 230 V Spannung angeschlossen sind. 9. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the chargers are connected in groups to several separately secured single-phase household sockets with 230 V voltage.
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