DE60132414T2 - Universelles Batterieladegerät und Verfahren - Google Patents

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
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    • HELECTRICITY
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung und ein Schnittstellensystem zum Aufladen von elektrischen Batterien, die gleich große Spannungen liefern und die sich aus wieder aufladbaren Zellen zusammensetzen, die je nach Batterie unterschiedlicher Natur sein können. Hierzu setzt die Erfindung eine Ladevorrichtung ein, die mindestens eine, für eine Batterie geeignete, konstante Regelspannung liefern kann. Ihre Aufgabe ist es, den Schutz der Zellen einer Batterie gegen Überspannungen, die während des Aufladens auftreten können, zu gewährleisten.
  • Die vorgesehene Anordnung ist so ausgestaltet, dass eine Batterie zeitweise die Aufgabe einer anderen Energiequelle zur Versorgung eines Verbraucherkreises übernehmen kann, wenn die andere Quelle vorübergehend dazu nicht in der Lage ist. Die Ladung der zuvor aufgeladenen Batterie wird beispielsweise im so genannten Floating-Prozess aufrechterhalten, wenn die Quelle in Betrieb ist. Eine derartige Anordnung umfasst üblicherweise eine Batterie, eine Vorrichtung zum Aufladen der Batterie von einer Quelle aus und einen Verbraucherkreis, die ununterbrochen miteinander verbunden sind. In dieser Ausgestaltung kommt sie insbesondere bei Telekommunikationseinrichtungen, die für den unterbrechungsfreien Betrieb vorgesehen sind, zum Einsatz.
  • Die Anordnung kann auch auf andere Weise ausgestaltet sein, damit die einen Verbraucherkreis versorgende Batterie von einer Quelle aus und über eine Ladevorrichtung mit Unterbrechungen wieder aufgeladen werden kann. Die Ladevorrichtung kann ggf. die Ladungserhaltung der Batterie mit Hilfe der eingangs erwähnten Technik, gewährleisten, wenn die Quelle in Betrieb ist. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Batterie zu einer Anordnung mit einer Ladevorrichtung gehört, die von einer Quelle gespeist wird, die wie bei einem Elektrofahrzeug auf Wunsch und/oder nach Bedarf in Betrieb gesetzt wird. Derartige Anordnungen sind üblicherweise mit Mitteln ausgestattet, mit denen ein Ausgleich zwischen den einzelnen, die Batterie bildenden, wieder aufladbaren Zellen und folglich ein optimales Management im Laufe der Zeit gewährleistet werden kann. Derartige Mittel sind insbesondere in der EP 121547 offenbart.
  • Es gibt zahlreiche Vorrichtungen zum Aufladen einer Batterie, bei denen eine vorbestimmte Regelspannung vorgesehen ist. Ferner gibt es zahlreiche Vorrichtungen, bei denen eine Regelspannung oder Regelspannungen unter mehreren zur Verfügung stehenden Regelspannungen, insbesondere zum Laden unterschiedlicher Batterien ausgewählt werden können.
  • Aufgrund der Standardisierungen im Bereich der wieder aufladbaren und nicht wieder aufladbaren Batterien kann häufig ein einziges Gerät versorgt werden, indem ihm von einer Batterie, d. h. einer bestimmten Anordnung gleichartiger wieder aufladbarer oder nicht wieder aufladbarer Zellen, die je nach den Bedürfnisses des Verbrauchers und/oder der momentanen Batterieverfügbarkeiten ausgewählt wird, eine zu seinem Betrieb ausreichende Spannung zugeführt wird. Die miteinander austauschbaren Batteriezellen sind beispielsweise Bleizellen, Alkalizellen oder Lithiumzellen.
  • Um jedoch einen wirklichen Vorteil zu schaffen, setzt diese Austauschbarkeit voraus, dass mindestens einige der verschiedenartigen Batterien mit einer einzigen Vorrichtung anstatt mit Vorrichtungen, die jeweils unterschiedlichen Batterien individuell angepasst sind, aufgeladen werden können. Das Erfordernis unterschiedlicher Ladevorrichtungen weist für diejenigen Benutzer, die je nach Bedarf oder momentaner Verfügbarkeit verschiedenartige, miteinander austauschbare Batterien zur Versorgung eines Verbraucherkreises in einer bestimmten Anordnung einsetzen möchten, bestimmte Nachteile auf.
  • Während der Ladephase auftretende Überspannungen können sich, wie bekannt, negativ auf die Batteriezellen auswirken, die ihnen ausgesetzt sind, insbesondere wenn diese Zellen unempfindlicher gegen Überspannungen sind als andere wie dies beispielsweise bei den Lithiumzellen der Fall ist.
  • Folglich müssen zum Laden einer Batterie mit einer für eine andere Batterie vorgesehenen Vorrichtung dadurch Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, indem man sich vergewissert, dass die Batterien im Wesentlichen die gleiche Nennspannung aufweisen. Es ist bekannt, ein Gerät wie beispielsweise eine Zusatzmaschine in den Stromkreis zwischen einer Ladevorrichtung und einer Batterie einzubauen, wenn die Batterie von einer Managementschaltung überwacht wird, mit der ein Steuersignal zum Ändern der an die Batterie gelieferten Spannung an die Zusatzmaschine gesendet werden kann. Dadurch kann die Spannung gesenkt werden, wenn eine Batteriezelle zu stark geladen ist. Doch ist ein derartiges Zusatzgerät kostspielig und kann hinderlich sein, wenn bei der Batterie oder der Ladevorrichtung kein Platz dafür vorgesehen ist.
  • Ferner ist es bekannt, eine Ladevorrichtung, wie beispielsweise ein herkömmliches separates Bleibatterie-Ladegerät, zum Aufladen von Batterien unterschiedlicher Art einzusetzen, wenn auf die von dieser Vorrichtung gelieferte Regelspannung so eingewirkt werden kann, dass jegliches Risiko der Überspannung bei den jeweiligen Zellen der aufgeladenen Batterie vermieden wird.
  • Es gibt Ladevorrichtungen, die für den Empfang eines analogen Steuersignals zum Steuern der Regelspannung ausgestaltet sind. Eine derartige Ladevorrichtung können jedoch nur mit einer aufzuladenden Batterie, der eine Schnittstelle zur Abgabe eines entsprechenden analogen Steuersignals zugeordnet ist, eingesetzt werden. Eine derartige Schnittstelle weist ähnliche Nachteile auf wie das Zusatzgerät und muss mit Energie versorgt werden, um ihren Bedürfnissen zu genügen.
  • In bestimmten Anordnungen, bei denen eine Batterie zusammen mit einer Ladevorrichtung eingesetzt wird, ist bereits eine Schaltung vorgesehen, die mit jeder wieder aufladbaren Zelle parallel geschaltet ist, damit mindestens ein Teil des von der Ladevorrichtung an die Batterie gelieferten und die Zelle durchfließenden Stroms abgeleitet wird, wenn die an den Klemmen der Zelle von einer ihr zugeordneten Messschaltung gemessene Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Eine derartige Anordnung ist insbesondere in der weiter oben angegebenen EP 121547 offenbart. Die Komponenten der Anordnung können der wieder aufladbaren Batteriezelle, der sie zugewiesen sind, bzw. einer Gruppe derartiger Zellen in modularer Form, in einer autonomen Hardware-Einheit zusammengefasst, physikalisch zugeordnet sein. Eine derartige Einheit kann mit mindestens einer anderen gleichen autonomen Einheit zur Bildung einer Batterie, bei der ein Ausgleich Zelle für Zelle gewährleistet ist, in Reihe geschaltet sein.
  • Die Erfindung gibt ein Verfahren und eine Anordnung an, mit denen eine Batterie, die eine bestimmte Nennspannung aufweist, auf einfache und kostengünstige Weise, ohne Rücksicht im Hinblick der wieder aufladbaren Zellen die die Batterie bilden zu nehmen, mit einer bestimmten Ladevorrichtung, die mindestens eine geeignete konstante Regelspannung liefern kann, aufgeladen werden kann, ohne dass die wieder aufladbaren Zellen schädlichen Überspannungen ausgesetzt sind, vorausgesetzt daß die Batterie eine Nennspannung aufweist, die der bzw. den von der Ladevorrichtung gelieferten Regelspannungen entspricht.
  • Nach einem Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende Schritte vorgesehen:
    • – das dauernde Messen der Klemmenspannung jeder wieder aufladbaren Zelle der Batterie;
    • – das Aktivieren einer Abzweigschaltung, die jeder wieder aufladbaren Zelle, zu der die Schaltung parallel geschaltet ist, individuell zugeordnet ist, wenn die gemessene Klemmenspannung der wieder aufladbaren Zelle einen vorbestimmten, je nach der Art der wieder aufladbaren Zelle festgelegten Mindestregelschwellenwert überschreitet, und zwar so lange die gemessene Spannung den Mindestschwellenwert überschreitet;
    • – das Liefern einer Information, die angibt, ob die Spannung, die an den Klemmen einer wieder aufladbaren Zelle gemessen wird, einen in Abhängigkeit der Art der wieder aufladbaren Zelle festgelegten Ausgleichshöchstschwellenwert überschreitet oder nicht;
    • – das Übersetzen der Informationen bezüglich einer Überschreitung des Höchstschwellenwertes, die zu einem gegebenen Zeitpunkt für jede der wieder aufladbaren Zellen erhalten wurden, in ein binäres Einzelsignal, wobei dieses Signal auf einem ersten binären Wert gehalten wird, so lange keine der an den Klemmen der wieder aufladbaren Zellen der Batterie gemessenen Spannungswerte den Höchstschwellenwert überschreitet, und in allen anderen Fällen auf einem zweiten Wert gehalten wird;
    • – das Übersetzen des Einzelsignals aus den Informationen bezüglich einer Überschreitung des Höchstschwellenwertes in ein Steuersignal zum Umschalten einer Batterie-Ladekennlinie, die zwischen zwei auswählbaren Kennlinien entweder direkt an der Ladevorrichtung oder über eine ihr zugeordnete Hilfsvorrichtung ausgewählt werden kann.
  • Die Erfindung gibt ferner eine Anordnung an, die eine aus in Reihe geschalteten wieder aufladbaren Zellen bestehende Batterie und eine Ladevorrichtung umfasst, die mindestens eine konstante Regelspannung zum Aufladen der Batterie liefern kann. Die Anordnung verbindet mit der Batterie:
    • – eine Einzelschnittstelle pro wieder aufladbarer Batteriezelle, mit einer ersten Spannungsmessschaltung, die zur Steuerung einer zu ihr parallel geschalteten Stromabzweigschaltung an die Klemmen der betreffenden Zelle angeschlossen ist, damit mindestens ein Teil des an die Zelle gelieferten Ladestroms abgezweigt wird, wenn die an den Klemmen der betreffenden wieder aufladbaren Zelle gemessene Spannung einen vorbestimmten, in Abhängigkeit der Art der Zelle festgelegten Mindestregelschwellenwert überschreitet;
    • – eine gemeinsame Schnittstelle, mit der die Einzelschnittstellen verbunden sind, damit jede von ihnen jeweils mindestens eine Information im Hinblick auf die gemessene Spannung für die Zelle liefert, der sie zugeordnet ist, wobei die Informationen zur Steuerung des Ladens durch eine Ladevorrichtung ausgewertet werden.
  • Nach einem Merkmal der Erfindung umfasst die Anordnung:
    • – Batterie-Einzelschnittstellen mit jeweils einer zweiten Spannungsmessspannung zur Bestimmung der Überschreitung eines Ausgleichhöchstschwellenwertes an den Klemmen der wieder aufladbaren Zelle, der die Einzelschnittstelle zugewiesen ist, aus einer an den Klemmen eines Messwiderstandes, der mit der Abzweigvorrichtung der Schnittstelle zwischen den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle in Reihe geschaltet, vorgenommenen Spannungsmessung, sowie einer Schaltung, die ein logisches UND-Übertragungsgatter bildet, über das eine Information in Binärformat darüber, ob der Ausgleichshöchstschwellenwert an den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle überschritten wird oder nicht, übertragen wird,
    • – eine gemeinsame Schnittstelle, die jede Information über das Überschreiten des Ausgleichhöchstschwellenwertes, die ihr über eine Übertragungskette, in der die Übertragungsgatter der Einzelschnittstellen in Reihe geschaltet sind, zugeführt wird, in ein Steuersignal zur Umschaltung der Ladekennlinie übersetzt,
    • – eine Batterie-Ladevorrichtung mit mindestens einer Ladekennlinie wird in Abhängigkeit des Wertes des Steuersignals zur Umschaltung der Ladekennlinie entweder an der Vorrichtung selbst oder an einer zugeordneten Hilfsvorrichtung geändert.
  • Die Erfindung gibt ferner ein Batterie-Schnittstellensystem an mit:
    • – einer Einzelschnittstelle pro wieder aufladbarer Batteriezelle, wobei jede Einzelschnittstelle eine Spannungsmessschaltung umfasst, die zur Steuerung einer zu ihr parallel geschalteten Stromabzweigschaltung an die Klemmen der betreffenden Zelle angeschlossen ist, damit mindestens ein Teil des an die Zelle gelieferten Ladestroms abgezweigt wird, wenn die an den Klemmen der betreffenden wieder aufladbaren Zelle gemessene Spannung einen vorbestimmten, in Abhängigkeit der Art der Zelle festgelegten Mindestregelschwellenwert überschreitet;
    • – eine gemeinsame Schnittstelle, mit der die Einzelschnittstellen verbunden sind, damit jede von ihnen jeweils mindestens eine Information im Hinblick auf die gemessene Spannung für die Zelle liefert, der sie zugeordnet ist, wobei die Informationen zur Steuerung des Ladens durch eine Ladevorrichtung ausgewertet werden.
  • Nach einem Merkmal der Erfindung umfasst das System:
    • – Batterie-Einzelschnittstellen mit jeweils einer zweiten Spannungsmessspannung zur Bestimmung der Überschreitung eines Ausgleichhöchstschwellenwertes an den Klemmen der wieder aufladbaren Zelle, der die Einzelschnittstelle zugewiesen ist, aus einer an den Klemmen eines Messwiderstandes, der mit der Abzweigvorrichtung der Schnittstelle zwischen den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle in Reihe geschaltet, vorgenommenen Spannungsmessung, sowie einer Schaltung, die ein logisches UND-Übertragungsgatter bildet, über das eine Information in Binärformat darüber, ob der Ausgleichshöchstschwellenwert an den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle überschritten wird oder nicht, übertragen wird,
    • – eine gemeinsame Schnittstelle, die jede Information über das Überschreiten des Ausgleichshöchstschwellenwertes, die ihr über eine Übertragungskette, in der die Übertragungsgatter der Einzelschnittstellen in Reihe geschaltet sind, zugeführt wird, in ein Steuersignal zur Umschaltung der Ladekennlinie übersetzt, das von einer Ladevorrichtung oder über eine dieser Ladevorrichtung zugeordnete Hilfsvorrichtung ausgewertet wird.
  • Die Erfindung, ihre Merkmale und Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit einer einzigen nachstehend definierten Figur näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild eines Anordnungsbeispiels.
  • Die Anordnung umfasst eine Batterie 1, eine Vorrichtung 2 zum Aufladen der Batterie von einer nicht dargestellten Quelle aus und einen Verbraucherkreis 3, der von der Batterie, in Verbindung mit der Quelle oder nicht, versorgt werden soll.
  • Die Batterie ist modular aufgebaut und bildet ein Anordnung aus einer Reihe von in Reihe geschalteten Modulen, wobei jedes Modul durch mindesten eine wieder aufladbare Zelle 5 gebildet ist. Zur vereinfachten Darstellung werden im Folgenden nur wieder aufladbare Zellen behandelt, wobei die Erfindung selbstverständlich auch bei in Modulen zusammengefassten, wieder aufladbaren Zellen wie oben erwähnt eingesetzt werden kann.
  • Die dargestellte Batterie 1 weist zwei Klemmen B+ und B– auf, zwischen denen drei wieder aufladbare Zellen 5 in Reihe geschaltet sind.
  • Die Ladevorrichtung wird im vorliegenden Fall über eine nicht dargestellte Quelle, beispielsweise ein Stromverteilungsnetz oder einen unabhängigen Stromgenerator, mit elektrischer Energie versorgt wird. Es wird vorausgesetzt, dass die Ladevorrichtung 2 über mit C1+ + C2– bezeichnete Anschlüsse an die Klemmen einer aufzuladenden Batterie angeschlossen ist.
  • In der dargestellten Ausführungsform wird der Verbraucherkreis 3, der über die Batterie 1 gespeist werden soll, über mit C2+ und C2– gekennzeichnete Anschlüsse an die Batterie angeschlossen.
  • Die oben erwähnten Anschlüsse können bekannte Anschlüsse sein und werden demnach hier nicht näher erläutert, der Verbraucherkreis 3 ist beispielsweise eine Funktionseinrichtung eines unabhängigen Systems oder Gerätes.
  • Mit der vorgesehenen Anordnung kann die Batterie 1 mit Hilfe der Ladevorrichtung 2 aufgeladen und dabei der Verbraucherkreis 3 versorgt werden, wenn dies erforderlich ist und wenn die Ladevorrichtung und der Verbraucherkreis gleichzeitig mit den Klemmen der Batterie verbunden sind.
  • Wie eingangs erwähnt ist vorgesehen, dass je nach den Bedürfnissen des Verbrauchers oder der momentanen Batterie-Verfügbarkeit unterschiedliche Batterien mittels einer Ladevorrichtung und insbesondere im Rahmen einer erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden können. Es ist vorgesehen, dass die Ladevorrichtung mindestens eine vorbestimmte Ladecharakteristik liefern kann. Die Charakteristik entspricht beispielsweise einer vorbestimmten Regelspannung. Es wird ferner vorausgesetzt, dass die Batterien jeweils Nennspannungen haben, die mit der bzw. den Spannungen, insbesondere Regelspannungen, die von der Ladevorrichtung geliefert werden können, übereinstimmen.
  • Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine aus Lithium-Zellen bestehende 48-Volt-Batterie an die Stelle einer aus Bleizellen oder Alkalizellen bestehenden Batterie tritt, wobei die Anzahl der Zellen der beiden Batterie unterschiedlich ist. In diesem Fall ist vorgesehen, dass jede der wieder aufladbaren Zellen 5 der Batterie eine zu ihr parallel geschaltete Abzweigschaltung aufweist. Mit jeder Schaltung kann jeweils mindestens ein Teil des von der Ladevorrichtung 2 an die Batterie gelieferten und eine wieder aufladbare Zelle durchfließenden Stroms abgezweigt werden, wenn die an den Klemmen der Zelle gemessene Spannung einen vorbestimmten Ausgleichsmindestschwellenwert V1 überschreitet. Dieser Schwellenwert wird in Abhängigkeit der Art der wieder aufladbaren Zellen festgelegt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die jeder Zelle 5 einer Batterie zugewiesene Abzweigschaltung in eine der Zelle zugeordnete Einzelschnittstelle 6 eingebaut. Es ist eine gemeinsame Schnittstelle 7 vorgesehen, mit der die Einzelschnittstellen im Allgemeinen verbunden sind, beispielsweise über eine Verkettung wie in der einzigen Figur dargestellt. Jede Einzelschnittstelle 6 weist ferner Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenwirken mit der gemeinsamen Schnittstelle 7 auf.
  • Die Abzweigschaltung, die jede Einzelschnittstelle aufweist, funktioniert beispielsweise nach dem in der oben erwähnten EP 121547 beschriebenen Prinzip, das im folgenden kurz erläutert ist. Eine erste Spannungsmessschaltung 8 ist an die Klemmen der wieder aufladbaren Zelle 5 angeschlossen, im vorliegenden Fall über einen an die Minusklemme der Zelle angeschlossenen Messwiderstand 9.
  • Die Messschaltung 8 einer Einzelschnittstelle 6 ist eine Messschaltung wie in der oben erwähnten Druckschrift beschrieben und steuert demnach das Einschalten eines aus einem Widerstand 10 und einem Transistor 11 bestehenden Zweiges, die im vorliegenden Fall mit dem zwischen den Klemmen der wieder aufladbaren Zelle 5, der die Schnittstelle zugeordnet ist, angeordneten Messwiderstand 9 in Reihe geschaltet ist. Wie bereits erwähnt fließt kein Strom durch den Zweig, so lange die von der Messschaltung 8 ausgewertete Spannung v nicht einen Wert v1 erreicht hat, bei dem die Spannung an den Klemmen der wieder aufladbaren Zelle 5 mit dem Mindestschwellenwert V1 übereinstimmt. Sobald der Wert v1 überschritten ist, steuert die Messschaltung den Transistor 11, damit er im Zweig einen Teil des von der Ladevorrichtung an die wieder aufladbare Zelle gelieferten Stroms abzweigt. Der abgezweigte Strom steigt allmählich an, wenn die von der Messschaltung 8 ausgewertete Bildspannung v auf einen allmählichen Anstieg der an den Klemmen der Zelle 5 anliegenden Spannung hinweist.
  • Erfindungsgemäß weist jede Einzelschnittstelle 6 eine zweite Spannungsmessschaltung 12 auf, die angeordnet ist, um der gemeinsamen Schnittstelle 7 eine Information in Binärformat zur der an den Klemmen der von ihr überwachten wieder aufladbaren Zelle 5 der Batterie 1 anliegenden Spannung zu liefern. Diese Information erfolgt vorzugsweise durch ein binäres Signal auf dem Nullpegel, wenn die Spannung an den Klemmen der Zelle 5 einen vorbestimmten Ausgleichshöchstschwellenwert V2 überschreitet, der höher ist als der Mindestschwellenwert V1. Die Höchstschwelle V2 der Spannung ist so gewählt, dass sie niedriger ist als oder höchstens genauso hoch ist wie die maximal zulässige Spannung Vm an den Klemmen einer der wieder aufladbaren Zellen der Batterie 1, wobei die Spannungen V2 und Vm in Abhängigkeit der Art der Batteriezellen festgelegt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das Nichtüberschreiten des Schwellenwertes einem binären Signal auf dem Eins-Pegel und das Überschreiten des Schwellenwertes einem Signal auf dem Null-Pegel. Die von der Messschaltung 12 gelieferte Information wird von der die Messschaltung enthaltenden Einzelschnittstelle 6 über eine Schaltung, die ein logisches UND-Übertragungsgatter 13 bildet, an die gemeinsame Schnittstelle 7 übertragen.
  • Jedes Übertragungsgatter 13 weist einen ersten Eingang, über den es die von der Messschaltung 12 der Einzelschnittstelle, in der es enthalten ist, gelieferte Information empfängt, und einen zweiten, so genannten Verkettungseingang auf. Der Verkettungseingang eines Übertragungsgatters einer Einzelschnittstelle ist mit dem Ausgang des Übertragungsgatters, das ihm in der Kette vorausgeht, verbunden, wobei der Verkettungseingang der in der Kette an vorderster Stelle stehenden Schnittstelle systematisch ein Signal auf dem Eins-Pegel I am Ausgang empfängt. Folglich muss das Übertragungsgatter 13 der an der vordersten Stelle stehenden Einzelschnittstelle am Ausgang ein binäres Signal auf dem Eins-Pegel abgeben, wenn es von der Messschaltung 12, mit der es verbunden ist, keine Überschreitungsinformation erhalten hat, da dann beide Eingänge auf dem Eins-Pegel sind. Das Gleiche gilt bei den Übertragungsgattern 13 der nachfolgenden Einzelschnittstellen der Kette, wenn von den jeweiligen Messschaltungen 12 der betreffenden Schnittstellen keine Über schreitungsinformation geliefert wird, da in diesem Fall ein Signal auf dem Eins-Pegel an die gemeinsame Schnittstelle 7 gesendet wird. Praktisch bewirkt dieses Signal, dass ein Strom an der die Einzelschnittstellen mit der gemeinsamen Schnittstelle verbindenden Kette entlang fließt.
  • In dem Ausführungsbeispiel wird das an der positiven Klemme B+ der Batterie 1 anliegende positive Potential an den Verkettungseingang des Übertragungsgatters 13 der vordersten Einzelschnittstelle 6 der Kette angelegt. Die Kette wird durch Reihenschaltung der Einzelschnittstellen 6 erhalten, die jeweils eine Ketteneingangsklemme D1 und eine Kettenausgangsklemme D2 aufweisen, zwischen denen das Übertragungsgatter 13 der Schnittstellen angeordnet ist. Die Signalisierung eines Überschreitens des Ausgleichshöchstschwellenwertes V2 an den Klemmen einer Zelle 5 durch eine Messschaltung 12 entspricht dem Auftreten eines binären Signals auf dem Nullpegel am ersten Eingang des von dieser Messschaltung gesteuerten Übertragungsgatters 13 und folglich am Ausgang dieses Übertragungsgatters. Dabei wird der Strom, der durch die die Einzelschnittstellen mit der gemeinsamen Schnittstelle verbindende Kette fließt, unterbrochen. Auf die gleiche Weise wie bei dem Überschreiten der Ausgleichshöchstschwellenspannung V2 kann bei Unterbrechung der Kette auch auf die Ladevorrichtung eingewirkt werden.
  • Die gemeinsame Schnittstelle 7 ist so ausgestaltet, dass sie mittels eines Ladecharaktistik-Umschaltsignals auf eine eingebaute oder mit der Ladevorrichtung, an die sie angeschlossen ist, verbundene Umschaltfunktion einwirkt. Bei einer ersten Ausführungsform für Ladevorrichtungen, die während der Batterieladephase eine einzige konstante Regelspannung liefern, gewährleistet diese Funktion eine Leistungsumschaltung zwischen einer ersten Stellung, in der der von der Ladevorrichtung erzeugte Ladestrom an die Batterie geliefert wird, wenn das von der gemeinsamen Schnittstelle erhaltene binäre Signal auf dem Eins-Pegel ist, und einer zweiten Stellung, in der kein Strom mehr geliefert wird, wenn das von der gemeinsamen Schnittstelle empfangene binäre Signal auf dem Null-Pegel ist.
  • Der damit erzielte Ein-Aus-Betrieb kann am Ladegerät bewirkt werden, das dann geeignete Umschaltmittel aufweisen muss, die durch einen Steuereingang I gesteuert werden, die in Abhängigkeit von dem von der gemeinsamen Schnittstelle empfangenen Signalpegel von nicht dargestellten herkömmlichen Mitteln betätigt werden.
  • Diese Funktionsweise kann auch durch Betätigen eines außerhalb der Ladevorrichtung angeordneten Umschaltglieds oder Hilfsvorrichtung 14 bewirkt werden. Das Umschaltglied ist beispielsweise zwischen der Ladevorrichtung und einem Energieverteilungsnetz angeordnet, über das die Ladevorrichtung versorgt wird, und dient dann zum Ein-Aus-Steuern der Versorgung der Ladevorrichtung. Es kann ggf. in die gemeinsame Schnittstelle 7 integriert sein. Ein Umschaltglied oder Hilfsvorrichtung 15 kann auch am Ausgang der Ladevorrichtung zum gleichen Zweck der Überwachung der an die Batterie gelieferten Leistung vorgesehen sein, wobei dieses Glied unter den gleichen Bedingungen wie das weiter oben vorgesehene Umschaltglied oder Hilfsvorrichtung 14 von der gemeinsamen Schnittstelle 7 gesteuert wird.
  • Das Laden einer Batterie 1 durch die oben definierte Ladevorrichtung 2 erfolgt, wenn die an den Klemmen jeder wieder aufladbaren Zelle 5 dieser Batterie unter dem Höchstschwellenwert V2 liegt, der von den Einzelschnittstellen für jede Zelle einheitlich festgelegt wird. Jede wieder aufladbare Zelle 5 erhält den Strom von der Ladevorrichtung unter konstanter Spannung, solange dieser Strom anliegt und nicht mindestens teilweise von der der betreffenden wieder aufladbaren Zelle zugeordneten Abzweig-Schaltung abgezweigt wird.
  • Die Abzweigschaltung jeder wieder aufladbaren Batteriezelle, an deren Klemmen die gemessene Spannung den Mindestschwellenwert V1 überschreitet, bleibt eingeschaltet. Sie sorgt dafür, dass die wieder aufladbare Zelle teilweise entladen wird, und zwar so lange, bis die an den Klemmen der betreffenden wieder aufladbaren Zelle gemessene Spannung unter die Mindestschwelle V1 absinkt.
  • Die Batterie wird demnach durch Entladen der am stärksten geladenen Zellen ausgeglichen. Sobald die an den Klemmen der Zellen der Batterie 1 jeweils gemessenen Spannungen unter dem Höchstschwellenwert V2 liegen, wird die serielle Übertragungskette zwischen den Einzelschnittstellen zum Steuern der Ladevorrichtung über die gemeinsame Schnittstelle 7 wieder geschlossen, sodass die Ladevorrichtung der Batterie wieder einen Strom mit der zuvor angelegten konstanten Regelspannung liefert. Das Laden einer Batterie setzt sich aus einer Folge von Ladephasen zusammen, während der die Zellen, aus der sie gebildet ist, geladen werden, und die von Phasen unterbrochen werden, während der sich die Batterie aufgrund des Energieverbrauchs durch den von ihr gespeisten Verbraucherkreis und/oder des Betriebs der den Zellen der betreffenden Batterie zugeordneten Abzweigschaltungen leicht entlädt. Jede Zelle der Batterie gleicht demnach ihre Ladung aus, indem sie sich während der Phasen, in denen das Ladegerät aktiviert ist, auflädt und während der Phasen, in denen das Ladegerät deaktiviert ist, entlädt. Erfolgt der Ausgleich unter guten Bedingungen, kann der Verbraucherkreis bei geladener Batterie im „Floating"-Betrieb bei konstanter Spannung versorgt werden. Der Floating-Betrieb kann mit einer Anordnung, bei der die Ladevorrichtung in Betrieb und mit einer Batterie und einer Verbrauchereinrichtung permanent verbunden ist, ununterbrochen erfolgen. Er kann ggf. im Zusammenhang mit einer Anordnung, bei der die Ladevorrichtung nur im Aussetzbetrieb funktioniert, auch während der Phasen erfolgen, in denen die Ladevorrichtung in Betrieb und mindestens mit der Batterie verbunden ist.
  • Bei einer zweiten Ausführungsvariante ist die Ladevorrichtung 1 so ausgestaltet, dass anstatt nur einer zwei Konstantspannungsregelstufen Vr1 und Vr2 möglich sind, insbesondere bei Ladeende. Die beiden Stufen werden vorwiegend mit von Anfang an in der Ladevorrichtung vorgesehenen Mitteln erlangt, wobei der Steuereingang I zum Steuern der nicht dargestellten Mittel, mit denen von einer Spannungsstufe auf die andere umgeschaltet werden kann, genutzt wird.
  • Man geht hier wieder davon aus, dass die verschiedenartigen Batterien mit Einzelschnittstellen 6 und einer gemeinsamen Schnittstelle 7 verbunden sind. Wie bereits ausgeführt wird von den Übertragungsgattern 13 der Einzelschnittstellen 6 ein binäres Element auf dem Eins-Pegel an die gemeinsame Schnittstelle 7 übertragen, solange die an den Klemmen jeder Zelle einer Batterie gemessene Spannung unter dem Mindestschwellenwert V1 liegt. Wird der Höchstschwellenwert V2 jedoch von einer an den Klemmen einer wieder aufladbaren Batteriezelle gemessenen Spannung überschritten, wird die Übertragungskette unterbrochen, und ein binäres Signal auf dem Null-Pegel liegt an der gemeinsamen Schnittstelle an.
  • Der Übergang vom Eins-Pegel auf den Null-Pegel des an der gemeinsamen Schnittstelle anliegenden binären Signals bewirkt, insbesondere bei Ladeende, dass die von der Ladevorrichtung 2 zum Laden der Batterie erzielte höchste Regelspannung Vr2 durch die niedriger ausgelegte Regelspannung Vr1 ersetzt wird. Der Übergang vom Null-Pegel auf den Eins-Pegel des über die serielle Übertragungskette an der gemeinsamen Schnittstelle angelegten binären Signals bewirkt, dass in umgekehrter Richtung von der Spannung Vr1 auf die niedrigere Spannung Vr2 umgeschaltet wird.
  • Das Laden einer Batterie setzt sich aus einer Folge von Ladephasen zusammen, während der die Batterie der höchsten Regelspannung Vr2 ausgesetzt ist, so lange die an den Klemmen der Batteriezellen gemessenen Spannungen den Mindestschwellenwert V1 nicht überschreiten. Diese Phasen sind von Phasen unterbrochen, während der die Batterie einer niedrigeren Regelspannung Vr1 ausgesetzt ist, sobald und solange die an den Klemmen einer wieder aufladbaren Zelle gemessene Spannung den Höchstschwellenwert V2 überschreitet. Wie bereits ausgeführt kann die Ladevorrichtung 2 je nach gewählter Batterie-Ladevorrichtung-Verbraucherkreis-Anordung in eine Versorgung integriert sein, mit der der Verbraucherkreis falls erwünscht parallel gespeist werden kann.
  • Ferner ist allgemein vorgesehen, dass die Speisung der Batterie mit Ladestrom bei der oben beschriebenen zweiten Variante unterbrochen wird, wenn die an den Klemmen einer wieder aufladbaren Batteriezelle bzw. der Batterie einen Grenzwert überschreitet, der größer ist als der Spannungshöchstschwellenwert, über dem für die Batteriezellen schädliche Überspannungen entstehen können.
  • Ein Ausgleich erfolgt unter ähnlichen Bedingungen wie oben ausgeführt, wenn die wieder aufladbaren Zellen der Batterie in gutem Zustand sind. Die Ladevorrichtung 2 ist damit ununterbrochen in Betrieb, wenn sie mit der Batterie verbunden ist. Die aufeinander folgenden Umschaltungen zwischen den Regelspannungen werden dann von den Messschaltungen gesteuert, die den die Batterie bildenden, wieder aufladbaren Zellen zugeordnet sind.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Aufladen einer Batterie (1) mit einer Ladevorrichtung (2) die mindestens eine geeignete konstante Regelspannung zu der Batterie die aufgeladen werden soll, liefern kann, ohne Rücksicht auf die Natur der wieder aufladbaren Zellen die die Batterie bilden zu nehmen, vorausgesetzt daß die Batterie eine Nennspannung aufweist, die der bzw. den von der Ladevorrichtung gelieferten Regelspannungen entspricht, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: – das dauernde Messen der Klemmspannung jeder wieder aufladbaren Zelle (5) der Batterie; – das Aktivieren einer Abzweigschaltung (10, 11), die jeder wieder aufladbaren Zelle, zu der die Schaltung parallel geschaltet ist, individuell zugeordnet ist, wenn die gemessene Klemmenspannung der wieder aufladbaren Zelle einen vorbestimmten, je nach der Art der wieder aufladbaren Zelle festgelegten Mindestregelschwellenwert (V1) überschreitet, und zwar so lange die gemessene Spannung den Mindestschwellenwert überschreitet; – das Liefern einer Information, die angibt, ob die Spannung, die an den Klemmen einer wieder aufladbaren Zelle gemessen wird, einen in Abhängigkeit der Art der wieder aufladbaren Zelle festgelegten Ausgleichshöchstschwellenwert (V2) überschreitet oder nicht; – das Übersetzen der Informationen bezüglich einer Überschreitung des Höchstschwellenwertes, die zu einem gegebenen Zeitpunkt für jede der wieder aufladbaren Zellen erhalten wurden, in ein binäres Einzelsignal, wobei dieses Signal auf einem ersten binären Wert gehalten wird, so lange keine der an den Klemmen der wieder aufladbaren Zellen der Batterie gemessenen Spannungswerte den Höchstschwellenwert überschreitet, und in allen anderen Fällen auf einem zweiten Wert gehalten wird; und – das Übersetzen des Einzelsignals aus den Informationen bezüglich einer Überschreitung des Höchstschwellenwertes in ein Steuersignal zum Umschalten einer Batterie-Ladekennlinie, die zwischen zwei auswählbaren Kennlinien entweder direkt an der Ladevorrichtung oder über eine ihr zugeordnete Hilfsvorrichtung (14 oder 15) ausgewählt werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuersignal zum Umschalten einer Batterie-Ladekennlinie, ein Signal ist, das auf das Schalten einer Leistungsfunktion bei einer Ladevorrichtung (2) oder bei einem Hilfsvorrichtung (14) zwischen dieser Vorrichtung und seiner Stromversorgungseinheit einwirkt, um die Versorgung der Batterie an Aufladestrom zu ermöglichen wenn die jeweiligen Spannungen, die bei den Klemmen der wieder aufladbaren Zellen gemessen werden, unter dem Ausgleichshöchstschwellenwert V2 liegen und die Versorgung von Aufladestrom an die Batterie zu unterbrechen, wenn die Spannung, gemessen an den Klemmen einer der wieder aufladbaren Batterie-Zellen, den Höchstschwellenwert übersteigt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 wobei das Steuersignal für das Umschalten eines Aufladekennwertes ein Signal ist, das den Austausch von einer Aufladeregulierungsspannung durch eine andere Spannung bei der Ladevorrictung (2) bewirkt, um die Umschaltung von einer höheren (Vr2) auf eine niedrigere (Vr1) der besagten zwei Regelspannungen steuert, wenn die Spannung, die bei den Klemmen einer wieder aufladbaren Batterie-Zelle gemessen wird, den Ausgleichshöchstschwellenwert (V2) übersteigt, und die Umschaltung von der niedrigen zu der höheren der besagten zwei Regelspannungen zu bewirken wenn die jeweiligen Spannungen, die bei den Klemmen der wieder aufladbaren Zellen gemessen werden, unter dem Ausgleichshöchstschwellenwert liegen.
  4. Anordnung, die eine aus in Reihe geschalteten wieder aufladbaren Zellen bestehende Batterie und eine Ladevorrichtung (2) umfasst, die mindestens eine konstante Regelspannung zum Aufladen der Batterie (1) liefern kann wenn man die Batterie (1) verbindet mit: – einer Einzelschnittstelle (6) pro wieder aufladbarer Batteriezelle (5), mit einer ersten Spannungsmessschaltung (8), die zur Steuerung einer zu ihr parallel geschalteten Stromabzweigschaltung (10, 11) an die Klemmen der betreffenden Zelle angeschlossen ist, damit mindestens ein Teil des an die Zelle gelieferten Ladestroms abgezweigt wird, wenn die an den Klemmen der betreffenden wieder aufladbaren Zelle gemessene Spannung einen vorbestimmten, in Abhängigkeit der Art der Zelle festgelegten Mindestregelschwellenwert (VI) überschreitet; – einer gemeinsamen Schnittstelle (7), mit der die Einzelschnittstellen verbunden sind, damit jede von ihnen jeweils mindestens eine Information im Hinblick auf die gemessene Spannung für die Zelle liefert, der sie zugeordnet ist, wobei die Informationen zur Steuerung des Ladens durch eine Ladevorrichtung ausgewertet werden. – Batterie-Einzelschnittstellen mit jeweils einer zweiten Spannungsmessspannung (12) zur Bestimmung der Überschreitung eines Ausgleichhöchstschwellenwertes (V2) an den Klemmen der wieder aufladbaren Zelle, der die Einzelschnittstelle zugewiesen ist, aus einer an den Klemmen eines Messwiderstandes (9), der mit der Abzweigvorrichtung der Schnittstelle zwischen den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle in Reihe geschaltet, vorgenommenen Spannungsmessung, sowie einer Schaltung, die ein logisches UND-Übertragungsgatter (13) bildet, über das eine Information in Binärformat darüber, ob der Ausgleichshöchstschwellenwert an den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle überschritten wird oder nicht, übertragen wird, – einer gemeinsamen Schnittstelle, die jede Information über das Überschreiten des Ausgleichhöchstschwellenwertes, die ihr über eine Übertragungskette, in der die Übertragungsgatter der Einzelschnittstellen in Reihe geschaltet sind, zugeführt wird, in ein Steuersignal zur Umschaltung der Ladekennlinie übersetzt, – einer Batterie-Ladevorrichtung (2) mit mindestens einer Ladekennlinie wird in Abhängigkeit des Wertes des Steuersignals zur Umschaltung der Ladekennlinie entweder an der Vorrichtung selbst oder an einer zugeordneten Hilfsvorrichtung (14 oder 15) geändert.
  5. Anordnung nach Anspruch 4 worin das Signal, das angibt ob ein Schwellwert überstiegen wurde und das an die gemeinsame Schnittstelle über die Serien-Übertragungskette geliefert wird, einen binären Wert von 1 hat, wenn die jeweiligen Anzeichen, übermittelt durch die Übertragungstore der individuellen Schnittstellen, ob die Schwelle überstiegen wurde oder nicht ein Hinweis darauf ist, daß die Spannungen an den Klemmen der Zellen der Batterie, durch Messen in den Schaltungen (8) der individuellen Schnittstellen (6) unter dem Ausgleichshöchstschwellenwert (V2), geregelt für die Zellen, dir die gesagt Batterie bilden, liegen
  6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, worin das Modifizieren des Aufladekennwertes in Abhängigkeit des Wertes des Steuersignals für das Umschalten eine Unterbrechung der Lieferung des Ladestroms von dem Ladegerät zu der Batterie zu Folge hat, wenn bei einer individuellen Schnittstelle bestimmt wird, daß die Spannung an den Klemmen einer Batterie-Zelle über dem Ausgleichshöchstschwellenwert (V2) für jede Zelle der Batterie liegt, mit Lieferung des Ladestroms wenn bestimmt wird, daß keine Spannung an den Klemmen einer Zelle den Schwellwert übersteigt.
  7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, worin das Modifizieren des Aufladekennwertes in Abhängigkeit des Wertes des Steuersignals für das Umschalten eine Umschaltung des Wertes auf einen anderen Wert der Regelspannung, die am Ende eines Aufladens einer Batterie von dem Ladegerät (2) zu der Batterie geliefert wird, zur Folge hat, wobei die Umschaltung von dem höheren Wert (Vr2) auf den niedrigeren Wert (Vr1), stattfindet, wenn bei einer individuellen Schnittstelle bestimmt wird, daß die Spannung an den Klemmen einer Batterie-Zelle über dem Ausgleichshöchstschwellenwert (V2) für jede Zelle der Batterie liegt, und eine umgekehrte Umschaltung bewirkt wird, wenn bestimmt wird, daß keine Spannung an den Klemmen von einer der Zellen den Schwellwert übersteigt.
  8. Schnittstellen-System für eine Batterie, die von weder aufladbaren Zellen aufgebaut ist, bestehend aus: – einer Einzelschnittstelle (6) pro wieder aufladbarer Batteriezelle (5), wobei jede Einzelschnittstelle eine Spannungsmessschaltung (8) umfasst, die zur Steuerung einer zu ihr parallel geschalteten Stromabzweigschaltung (10, 11) an die Klemmen der betreffenden Zelle angeschlossen ist, damit mindestens ein Teil des an die Zelle gelieferten Ladestroms abgezweigt wird, wenn die an den Klemmen der betreffenden wieder aufladbaren Zelle gemessene Spannung einen vorbestimmten, in Abhängigkeit der Art der Zelle festgelegten Mindestregelschwellenwert (V1) überschreitet; – einer gemeinsamen Schnittstelle (7), mit der die Einzelschnittstellen verbunden sind, damit jede von ihnen jeweils mindestens eine Information im Hinblick auf die gemessene Spannung für die Zelle liefert, der sie zugeordnet ist, wobei die Informationen zur Steuerung des Ladens durch eine Ladevorrichtung ausgewertet werden. – Batterie-Einzelschnittstellen mit jeweils einer zweiten Spannungsmessspannung (12) zur Bestimmung der Überschreitung eines Ausgleichhöchstschwellenwertes (V2) an den Klemmen der wieder aufladbaren Zelle, der die Einzelschnittstelle zugewiesen ist, aus einer an den Klemmen eines Messwiderstandes (9), der mit der Abzweigvorrichtung der Schnittstelle zwischen den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle in Reihe geschaltet, vorgenommenen Spannungsmessung, sowie einer Schaltung, die ein logisches UND-Übertragungsgatter (13) bildet, über das eine Information in Binärformat darüber, ob der Ausgleichshöchstschwellenwert an den Klemmen der zugeordneten wieder aufladbaren Zelle überschritten wird oder nicht, übertragen wird, – einer gemeinsamen Schnittstelle, die jede Information über das Überschreiten des Ausgleichshöchstschwellenwertes, die ihr über eine Übertragungskette, in der die Übertragungsgatter der Einzelschnittstellen in Reihe geschaltet sind, zugeführt wird, in ein Steuersignal zur Umschaltung der Ladekennlinie übersetzt, das von einer Ladevorrichtung oder über eine dieser Ladevorrichtung zugeordnete Hilfsvorrichtung ausgewertet wird.
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