DE4428769C1 - Vorrichtung zur Aufladung von und/oder zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufladung von und/oder zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden, gleichartigen Energiespeichern.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US-A-4 331 911 bekannt und dient zum Überwachen und Angleichen von Spannungen einzelner, in Reihe geschal­ teter Akkumulatoren mit einem DC-DC-Wandler. Der einzige zentrale Wandler für alle Akkumulatoren wird aus der Gesamtbatterie gespeist und er ist nicht fähig, durch Alterung auftretende Besonderheiten einzelner Akkumulatoren zu detektieren.

Bis ein solcher, in seiner Speicherungs- und Ladungsqualität absinkender Akkumulator von der Überwachungseinrichtung für Akkumulatoren erkannt wird, führt sein Fehlverhalten zu einer Kette von Reaktionen in der Gruppe der Akkumulatoren, was zu einer Degradation auch der anderen Akkumulatoren führt.

In der DE 30 31 931 C2 ist eine Vorrichtung zur Verlängerung der Entla­ dungsdauer von wiederaufladbaren Akkumulatoren beschrieben, bei der mit einer Überwachungseinrichtung die Spannungszustände der Akkumula­ toren erfaßt werden. Es wird eine längere betriebssichere Entladung der Akkumulatoren dadurch bewirkt, daß der Akkumulatorbetrieb nicht bei Entladung und damit bei Erreichen einer Grenzspannung der schwächsten Zelle beendet wird, sondern erst, wenn diese Grenzspannung im Mittel aller zusammengeschalteten Akkumulatoren erreicht wird. Eine Verlänge­ rung der Standzeit von Akkumulatoren im Hinblick auf ihre Auswechslung läßt sich damit nicht erreichen.

Aus der SU 1 065 959 ist eine Vorrichtung für ein Akkumulatorladegerät bekannt, mit der das Überladen und das Laden mit Falschpolung von Akkumulatoren verhindert wird. Dabei wird der Ladestrom über eine Transistorschaltung überwacht, die weiterhin Zenerdioden umfaßt. Diese Schutzschaltung kann jedoch weder die Überwachung der Qualität der Akkumulatoren gewährleisten, noch eine längere Standzeit von in ihrer Qualität schlechter werdenden Akkumulatoren bewirken.

Aus der EP 0 432 639 A2 ist eine Überwachungsein­ richtung für eine Vielzahl von in Reihe geschalteten, gleichartigen Akku­ mulatoren bekannt, bei der mit Hilfe einer Steuerschaltung ein elektrischer Speicher parallel zu einem der Akkumulatoren zugeschaltet wird, wobei die Primärwicklung eines Transformators in Reihe mit einem an die Steuerschaltung angeschlossenen Unterbrecher parallel zu den Polen der Gruppe von Akkumulatoren verbunden ist. Dabei wird der elektrische Speicher jeweils aus der Sekundärwicklung gebildet, die über jeweils eine sperrende Diode mit jedem Akkumulator verbunden ist. Über eine Ver­ gleichsschaltung wird bei Auftreten eines Differenzsignals in der Steuer­ schaltung zwischen den Akkumulatoren ein Funktionsgenerator angeschal­ tet, dessen Ausgang mit dem Unterbrecher verbunden ist. Damit kann gezielt dem schwächsten Akkumulator Energie zugeführt werden. Diese Anlage weist für kleine Anwendungen den Nachteil einer Vielzahl von steuernden Elementen auf, die einen Kosten- und ggf. einen Raum- und Gewichtsfaktor darstellen. Zugleich ist neben dem erheblichen Aufwand für die Selektion der jeweiligen schwachen oder starken Zelle der Lei­ stungsbereich der jeweils eingesetzten Sperrwandler nach oben begrenzt.

Alle diese Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß zur Aufladung der Energiespeicher, bei denen es sich z. B. um Batteriebänke eines Elek­ trofahrzeugs handeln kann, ein externes Ladegerät vorgesehen sein muß, welches wiederum in einem solchen Fahrzeug Platz einnimmt und zusätzli­ ches Gewicht ausmacht.

Ein solches externes Ladegerät ist in der US 5,003,244 beschrieben, wel­ ches geeignet ist, eine Vielzahl von Batterien gleichzeitig zu laden und bei der der Ladestrom vor allem in die schwächste Batterie fließt. Bei diesem Gerät wird ein Ladungsausgleich aber nur beim Ladungsvorgang erreicht

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem neben der Verzögerung des Austausches eines in seiner Qualität schlechteren Akkumulators mit einem geringen Schaltungsaufwand auch die Aufladung der Energiespeicher bewirkt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Vorzugsweise wird der Taktgeber von einer Ablaufsteuerschaltung an­ gesteuert, die über eine Aktivierschaltung für einen vorbestimmbaren oder von einer angeschalteten Last bestimmten Zeitraum eingeschaltet ist.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungs­ ausgleich für vier Akkumulatoren gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel,

Fig. 2 ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für drei Akkumulatoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für zwei Akkumulatoren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Es sind natürlich eine Vielzahl von Realisierungsmöglichkeiten von Schal­ tungen zur Durchführung des Verfahrens möglich, von denen in der Folge mehrere dargestellt werden. Die Vorrichtung ist z. B. bei einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich gemäß der EP 4 32 639 A2 integrierbar.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für vier Akkumulatoren 1 gemäß einem ersten Aus­ führungsbeispiel. Diese können eine einzelne Gruppe von vier Akkumula­ toren 1 bilden oder Teile einer größeren, z. B. 10 bis 12 Akkumulatoren 1 umfassenden Batteriebank sein.

Es ist ein Transformator 2 vorgesehen, der über hier vier gleiche Wick­ lungen 3 verfügt, die alle im gleichen durch den Punkt angedeuteten Richtungssinn auf einem gemeinsamen Kern 4 in enger magnetischer Kopplung angeordnet sind.

Dabei ist hier jeweils eine einen Energiespeicher bildende Wicklung 3 einem Akkumulator 1 zugeordnet, wobei jede Wicklung 3 in Reihe mit einer Diode 7 zu dem Akkumulator 1 parallel geschaltet ist.

Weiterhin ist eine Zusatzwicklung 13 mit gegenüber den Wicklungen 3 umge­ kehrtem Wicklungssinn vorgesehen, die in Reihe mit einer parallel angeordneten Kombination eines Schalters 8 und einer Diode 17 zu der Gesamtbatteriebank zugeschaltet ist.

Darüberhinaus sind auf dem Kern 4 zwei weitere Speisewicklungen 23 und 33 mit gleichem Wicklungssinn vorgesehen, die über einen Mittelabgriff 9 an dem Netzausgang positiver Spannung eines Netzgleichrichters 10 angeschlossen sind. Die anderen Wicklungsenden der Speisewicklungen 23 und 33 sind jeweils in Reihe mit einer Diode 27 und Schaltern 5 bzw. 6 an dem Netzausgang negativer Spannung des Netzgleichrichters 10 angeschlossen. Der Netzgleichrichter 10 wird z. B. aus dem üblichen Wechselspannungsnetz 11 gespeist und erzeugt sekundär­ seitig eine Zwischenkreisspannung.

In der Ladephase werden die Wicklungen 23 und 33 nun mit Hilfe von den Schaltern 5 und 6 mit einem Tastverhältnis von weniger als 50 Prozent ab­ wechselnd mit den Polen des Netzgleichrichters 10 verbunden. Die Schalter 5 und 6 sind in demjenigen Taktschritt dargestellt, in dem der Schalter 5 ge­ schlossen ist, so daß die Wicklung 23 mit der von dem Netzgleichrichter 10 erzeugten Zwischenkreisspannung beaufschlagt ist. Im nächsten, nicht dargestell­ ten Taktschritt schließt dann der Schalter 6, während der Schalter 5 offen ist, so daß die Wicklung 33 von der Zwischenkreisspannung beaufschlagt wird.

Der Schalter 8 ist dabei, wie in der Fig. 1 dargestellt, offen. Damit arbeitet die Vorrichtung als Durchflußwandler. Während der Schließphase von Schalter 5 wird durch die Speisewicklung 23 in den Wicklungen 3 eine Spannung derart induziert, daß die Dioden 7 leitend werden und ein Strom jeweils direkt in die Akkumulatoren 1 fließt. Dabei fließt der größere Anteil des Stromes in die Zelle mit der niedrigsten Spannung, so daß parallel zu dem Laden ein direkter Ausgleich der Ladespannungen beim Ladevorgang auftritt.

Während der Schließphase von Schalter 6 wird durch die Speisewicklung 33 in der Wicklung 13 eine Spannung induziert, so daß die Diode 17 leitend wird und ein Strom in die Gesamtbatterie fließt.

Die Schalter 5 und 6 sind jeweils mit entsprechenden Ausgängen eines Taktge­ bers verbunden, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, und mit dem eine Taktfrequenz von vorzugsweise mehr als 20 kHz erzeugbar ist.

Es wird in zwei Taktschritten einmal bei geschlossenem Schalter 6 die Gesamt­ batterie geladen und bei geschlossenem Schalter 5 über die Wicklungen 3 jeder einzelne Akkumulator 1 aufgeladen. Bei entsprechender Dimensionierung der genannten Wicklungen wird ungefähr die eine Hälfte der Energie direkt in die Gesamtbatterie eingespeist und die andere Hälfte fließt über die Wicklungen 3 und die Dioden 7 in die einzelnen Akkumulatoren 1.

Durch die enge magnetische Kopplung wird in allen Wicklungen 3, also ins­ besondere in den hier dargestellten drei Wicklungen 3 die gleiche Spannung induziert. Weist nun ein Akkumulator 1 durch Älterung oder sonstige Einflüsse eine niedrigere Spannung auf, so fließt direkt ein entsprechender Strom in diese Zelle.

Wenn der Aufladungsvorgang abgeschlossen ist, sind die Schalter 5 und 6 offen und der Netzgleichrichter 10 wird vom Netz getrennt. Dann wird mit Hilfe einer Ablaufsteuerung die Vorrichtung als Sperrwandler betrieben. Dabei ist eine Aktivierschaltung vorgesehen, die durch eine Vielzahl von Ereignissen je nach Einsatzzweck ausgelöst werden kann. Dabei kann es sich um einen einfachen manuellen Ein-/Aus-Schalter handeln, der z. B. durch das Äquivalent eines Zündschlosses bei einem akkumulatorgetriebenen Fahrzeug gebildet sein kann.

Die Schaltung kann auch einen Spannungskomparator aufweisen, der einen Schaltimpuls an den Ausgang der Schaltung weitergibt, wenn der Absolutwert der Batteriespannung innerhalb oder besser außerhalb vorbestimmter Werte liegt. Diese könnten z. B. bei einem Blei-Akkumulator 1 bei einer Spannung von größer als 2,2 Volt oder kleiner als 1,95 Volt liegen. Eine Spannung eines Akkumulators 1 außerhalb dieser Werte läßt auf einen Ladungs- oder Entla­ dungsvorgang schließen, bei dem der Ladungsausgleich vonstatten gehen sollte.

Es könnte auch ein Detektor vorgesehen sein, mit dem eine Dynamik des Batteriespannung nachweisbar ist, die auf schnelle Lastwechsel hindeutet, wie diese beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs auftreten. Weiterhin könnte auch das Abweichen der Spannung einzelner Akkumulatoren 1 von einem momentanen Mittelwert des Gesamtsystems als Auslöser für die Aktivierschaltung vorgesehen sein. Schließlich kann die Schaltung zum Ladungsausgleich z. B. auch periodisch, z. B. alle 3 Stunden, anlaufen.

Wenn die Aktivierschaltung einen Startimpuls nach einer der vorgenannten Bedingungen erzeugt, die einzeln aber auch zu mehreren geprüft werden können, steuert dieser beispielsweise einen Monoflop an, der für eine vor­ bestimmte Zeitdauer, z. B. eine halbe Stunde, die Vorrichtung zum Ladungs­ austausch anstellt, oder diese Zeitdauer wird durch ein Merkmal der angeschal­ teten Last festgelegt. Die Vorrichtung wird durch eine Logikeinheit überwacht, der weitere Signale zur Detektion eines Überstromes in oder einer Übertempe­ ratur von Bauteilen wie Transistoren oder Wicklungen zugeführt werden. Diese Schaltung kann auch einen Ausgang für eine Anzeige für Status- oder Steuersi­ gnale aufweisen, z. B. für einen Lastabwurf. Diese Logikeinheit steuert den genannten Taktgenerator hoher Taktfrequenz an, an dessen Ausgang der Steuer­ eingang des Schalters 8 angeschlossen wird.

Bei einer Funktion der Vorrichtung zum Ladungsausgleich wird der Schalter 8 mit hoher Taktfrequenz von einigen kHz geöffnet und geschlossen, wodurch Energie aus der Gesamtbatterie entnommen und der schwächsten Einzelzelle zugeführt wird.

Die Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zur Aufladung und zum Ladungsausgleich für drei Akkumulatoren 1 gemäß einem zweiten Aus­ führungsbeispiel. Gleiche Merkmale sind in allen Figuren mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen.

Bei dieser Schaltung beaufschlagt das Steuersignal des Taktgebers, mit dessen Hilfe in den zwei Taktschritten abwechselnd die Schalter 5 und 6 geschlossen werden, weitere Schalter 15, die jeweils in Reihe zu den Wicklungen 3 geschaltet sind. Diese Schalter 15 sind in dem Taktschritt, in dem der Schalter 5 geschlos­ sen ist, ebenfalls geschlossen und schalten die Wicklungen 3 parallel zu den Akkumulatoren 1. Damit kann jeweils die von dem Netzgleichrichter 10 geliefer­ te Energie über die Speisewicklung 23 in den Wicklungen 3 induziert werden, die einen Ladestrom für die einzelnen Akkumulatoren 1 abgeben.

Wenn dagegen der Schalter 6 geschlossen ist, so öffnet der Taktgeber die Schalter 15, so daß über die Speisewicklung 33 eine Spannung in der Wicklung 13 induziert wird und so die Gesamtbatterie aufgeladen wird.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 arbeitet dann als Schaltung zum Ladungsaus­ gleich, wenn beide Schalter 5 und 6 geöffnet sind und mit Hilfe desselben oder eines weiteren Taktgebers nur die Schalter 15 geöffnet und geschlossen werden.

Die Wicklungen 3 sind alle im gleichen Richtungssinn an die Akkumulatoren 1 angeschaltet, wobei für die zweite Taktperiode mit offenen Schaltern 15 die für alle Akkumulatoren 1 gemeinsam wirkende Entmagnetisierungswicklung 13 vorgesehen ist, die über eine Diode 17 über die Gesamtbatterie geschaltet wird.

Der eigentliche Ladungsaustausch findet hier in der Einschaltphase in der ersten Taktperiode statt. Diese kann bei geeigneter Wahl der Wicklungen 3 und 13
auch über 50% eines Taktes ausmachen, da die Entmagnetisierung rasch erfolgen kann.

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Vorrichtung zum Ladungsausgleich für in diesem Ausschnitt dargestellte zwei Akkumulatoren 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Es sind zwei in Reihe geschaltete Akkumulatoren 1 dargestellt, die Teil einer eine Vielzahl von Akkumulatoren beinhaltenden Batteriebank sind. Jedem der Akkumulatoren 1 sind zwei Wicklungen 3 mit unterschiedlichem Wicklungssinn zugeordnet. Diese Wicklungen 3 mit jeweils bezüglich ihrer Anschaltung an den Akkumulator 1 unterschiedlichem Wick­ lungssinn sind in Reihe mit jeweils einem Schalter 15 bzw. 16 verbunden. Die Wicklungen 3 sind auf einem gemeinsamen Kern 4 angeordnet.

Durch das aufeinanderfolgende Schließen der Schalter 15 bzw. 16 in einem Tast­ verhältnis von z. B. etwas weniger als 50% wird jeweils jede der beiden einem Akkumulator 1 zugeordnete Wicklung 3 mit dem Akkumulator 1 parallel verbunden, wobei jeweils alle Akkumulatoren virtuell parallel geschaltet sind, so daß in jedem Schritt ein Ladungsausgleich stattfindet und ein Strom in den schwächsten Akkumulator 1 fließt.

Weiterhin verfügt die Vorrichtung über die Speisewicklungen 23 und 33 auf dem gemeinsamen Kern 4, die in einer zu den anderen Ausführungsbeispielen analogen Weise an dem Netzgleichrichter 10 angeschlossen sind. Bei einem Ladebetrieb sind nun die Schalter 5 und 15 bzw. 6 und 16 gemeinsam geschlos­ sen oder geöffnet. Die Schalter 5 und 15 bzw. die Schalter 6 und 16 werden jeweils synchron betrieben. Damit wird bei geschlossenem Schalter 5 über die Speisewicklung 23 eine Spannung in den Wicklungen 3 induziert, die über die Schalter 15 gerade zu den Akkumulatoren 1 parallel geschaltet sind.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Aufladung von und/oder zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamt­ energiespeicher bildenden, gleichartigen Energiespeichern (1), bei der als elektrische Speicher zu jedem Energiespeicher (1) eine Wicklung (3) eines energiespeicherfähigen Transformators (2) über einen ansteuerbaren Schalter (15) oder eine Diode (7) parallel liegt, eine Lade- bzw. Speise­ wicklung (23, 33) vorgesehen ist, eine weitere Wicklung (13) über einen ansteuerbaren Schalter (8) oder eine Diode (17) zum Gesamtenergiespei­ cher parallel geschaltet ist, und bei der im Ladebetrieb die Speisewicklung (23, 33) mittels ansteuerbaren Schaltern (5, 6) eine Spannung mit taktweise wechselnder Polarität erhält, so daß im ersten Taktschritt jeder Energie­ speicher (1) über die Wicklungen (3) transformatorisch geladen wird und im zweiten Taktschritt der Gesamtenergiespeicher über die weitere Wick­ lung (13) geladen wird und bei der weiterhin im Ladungsaustauschbetrieb die Speisewicklung (23, 33) abgeschaltet ist und entweder die Wicklungen (3) in einem Taktschritt mittels der weiteren Wicklung (13) aus dem Gesamtenergiespeicher geladen werden und im zweiten Taktschritt ihre Energie an ihre zugeordneten Energiespeicher abgeben oder mittels Zuschaltung einer vorgebbaren Anzahl von Wicklungen (3) in einem Taktschritt eine induktive Parallelschaltung derselben bewirkt wird, wobei im zweiten Taktschritt über die weitere Wicklung (13) eine Entmagnetisie­ rung des Transformators erfolgt und zur Ansteuerung der Schalter (5, 6, 8, 15, 16) ein Taktgeber vorgesehen ist (Fig. 1, 2).

2. Vorrichtung zur Aufladung von und/oder zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamt­ energiespeicher bildenden, gleichartigen Energiespeichern (1), bei der zu jedem Energiespeicher (1) zwei entgegengesetzt gepolte Wicklungen (3) eines Transformators über zugehörige ansteuerbare Schalter (15, 16) parallel liegen und eine Lade- oder Speisewicklung (23, 33) vorgesehen ist, bei der im Ladebetrieb die Speisewicklung (23, 33) mittels ansteuerbaren Schaltern (5, 6) eine Spannung mit taktweise wechselnder Polarität erhält und über die Wicklungen (3) durch synchrones alternatives Ansteuern ihrer zugehörigen Schalter (15, 16) die Energiespeicher (1) geladen werden und im Ladungsaustauschbetrieb die Speisewicklung (23, 33) abgeschaltet wird und die Energiespeicher (1) über die Wicklungen (3) durch synchrones alternatives Ansteuern ihrer zugehörigen Schalter (15, 16) induktiv parallel geschaltet werden und zur Ansteuerung der Schalter (5, 6, 15, 16) ein Taktgeber vorgesehen ist

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Taktgeber von einer Ablaufsteuerschaltung ansteuerbar ist, die über eine Aktivierschaltung für einen vorbestimmbaren oder von einer angeschalteten Last bestimmten Zeitraum einschaltbar ist.