DE10345306A1

DE10345306A1 - Vorrichtung zum Laden und Überwachen einer Fahrzeugbatterie mit Einzelzellenabgriff

Info

Publication number: DE10345306A1
Application number: DE10345306A
Authority: DE
Inventors: Richard Aumayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Batterie 1, insbesondere einer Kfz-Starterbatterie, bestehend aus mehreren Einzelzellen 2a bis 2f, die mit einer Elektronik 5 verbunden sind. Um die Batterie 1 optimal aufzuladen, ist die Elektronik 5 derart eingerichtet, dass ein Teil der Einzelzellen 2a bis 2f mit einer höheren Spannung geladen werden kann als ein anderer Teil der Einzelzellen 2a bis 2f.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Kfz-Starterbatterie, bestehend aus mehreren Einzelzellen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zum Überwachen einer solchen Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
Batterien, wie sie in nahezu jedem Kraftfahrzeug als Starterbatterien eingesetzt sind, bestehen aus mehreren seriell verschalteten Einzelzellen. Im Falle einer Blei/Säure-Batterie mit einer Nennspannung von 12V werden beispielsweise 6 Einzelzellen benötigt, die jeweils etwa 2V Spannung erzeugen, um eine Gesamtspannung von 12V zu erhalten.
Aufgrund von Toleranzen bei der Herstellung der Einzelzellen unterscheiden sich die Zellen in ihrem elektrischen Verhalten. Aus diesem Grund werden die Einzelzellen bei Betrieb der Batterie unterschiedlich stark belastet und unterschiedlich stark aufgeladen. Die „schwächste" der Einzelzellen ist wegen der seriellen Verschaltung der Zellen daher für die Entladung der Gesamtbatterie begrenzend.
Zur Diagnose einer Fahrzeugbatterie, insbesondere zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit, ist es bekannt, sogenannte Batteriezustandserkennungseinrichtungen einzusetzen, die aus den aktuellen Betriebsgrößen, wie beispielsweise der Batteriespannung, dem Batteriestrom oder der Batterietemperatur, den Batteriezustand und insbesondere die Leistungsfähigkeit der Batterie ermitteln. Dabei wird jedoch nur der Zustand der gesamten Batterie beurteilt, nicht jedoch der Zustand von Einzelzellen.
Bei einem herkömmlichen Ladevorgang besteht daher das Problem, dass einzelne Zellen noch nicht optimal geladen sind, wenn die Klemmenspannung der Batterie einen vorgegebenen Sollwert (z.B. 14,5V Klemmenspannung) erreicht hat. Bei einem Entladevorgang können außerdem einzelne Zellen schon zu tief entladen sein, wenn ein vorgegebenes Entladeschlusskriterium (z.B. eine minimale Klemmenspannung) der Gesamtbatterie erreicht ist. Ein solcher, nicht optimaler Lade-Entlade-Betrieb der Fahrzeugbatterie kann zu einer verkürzten Lebensdauer oder einer geringeren Leistungsfähigkeit der Batterie führen. Dies gefährdet wiederum die Sicherheit im gesamten Fahrzeug.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Leistungsfähigkeit einer Batterie optimiert und das Ausfallrisiko reduziert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 5 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Batterie mit Einzelzellen-Abgriffen zu verwenden, die an einer Ladeelektronik angeschlossen sind, die derart eingerichtet ist, dass an wenigstens einer der Einzelzellen eine höhere Spannung anlegbar ist, als an einer anderen der Einzelzellen. Bei einem Ladevorgang, bei dem an den Batterieklemmen (B+, B–) beispielsweise 14,4V Ladespannung anliegen – bei einer Batterie mit 6 Einzelzellen sind dies 2,4V pro Einzelzelle – erzeugt die Ladeelektronik an einer der Einzelzellen eine höhere Spannung von z.B. 2,65V. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Einzelzelle vollständig aufgeladen wird.
Vorzugsweise werden mehrere Zellen nacheinander mit der höheren Spannung geladen. Die Ladespannung an einer Einzelzelle ist vorzugsweise zwischen 0,1V und 0,5V höher als bei einem normalen Ladevorgang, wenn die Batterie über die Batterieklemmen (B+, B–) geladen wird.
Die Höhe der Spannung ist vorzugsweise derart bemessen, dass die Gasungsspannung einer Einzelzelle überschritten wird. Dadurch können die Zellen vollständig geladen werden.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die Einzelzellen der Batterie während eines Entladevorgangs individuell zu überwachen. Erfindungsgemäß wird hierzu die Spannung an den Einzelzellen gemessen und individuell überwacht, ob die Spannung ein vorgegebenes Entladeschlusskriterium, wie z.B. eine Mindestspannung unterschreitet. Wahlweise kann auch überprüft werden, ob die in der Zelle enthaltene Ladung eine Mindestladung unterschreitet. Die Zellenspannung kann an verschiedenen Einzelzellen stark unterschiedlich hoch sein. Beim Entladen der Batterie kann es daher vorkommen, dass einzelne Zellen zu tief entladen werden und sich nicht mehr regenerieren können. Eine Tiefentlade-Überwachung der Einzelzellen hat daher den Vorteil, dass Tiefentladungen von Einzelzellen vermieden werden können.
Bei Unterschreiten des Entladeschlußkriteriums können verschiedene Maßnahmen im Rahmen eines Energie- und Verbrauchermanagements durchgeführt werden, wie z.B. leistungserhöhende Maßnahmen (Erhöhen der Ladespannung) oder verbrauchsmindernde Maßnahmen (wie z.B. das Abschalten vorgegebener Verbraucher), um die Batterie zu schonen.
Zu Diagnosezwecken können ferner beliebige elektrische Eigenschaften der Einzelzellen, wie z.B. das Ruhepotential oder der Innenwiderstand, mittels der erfindungsgemäßen Elektronik individuell überwacht werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt eine Fahrzeugbatterie 1, bestehend aus mehreren Einzelzellen 2a bis 2f. Die Einzelzellen sind im wesentlichen identisch aufgebaut und umfassen jeweils zwei Elektrodenplatten 3a, 3b-3k, 3l (jeweils eine Pluselektrode und eine Minuselektrode), die in einer Elektrolytflüssigkeit (nicht gezeigt) stehen. Zwei benachbarte Elektrodenplatten (z.B. 3b, 3c) unterschiedlicher Einzelzellen 2a bis 2f sind jeweils durch elektrische Verbindungselemente 4 miteinander verbunden.
Neben den üblichen Hauptklemmen B+, B– hat die Batterie 1 sogenannte Einzelzellen-Abgriffe 6a bis 6g, über die die Einzelzellen 2a bis 2f zugänglich sind. Die Einzelzellen 2a bis 2f können somit über die Abgriffe 6a, 6b; 6b, 6c, ... 6f, 6g geladen oder diagnostiziert werden.
Die Einzelzellenabgriffe 6a bis 6g sind aus der Batterie 1 herausgeführt und an einer Elektronik 5 angeschlossen, die je nach Anforderung unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen kann, um die Batterie 1 optimal zu betreiben. Die Elektronik 5 kann als Hardware oder in Form eines Steuergeräts mit entsprechenden Algorithmen implementiert sein.
In diesem Beispiel umfasst die Elektronik 5 Funktionen, die das Laden der Batterie 1 optimieren und das Entladen der Batterie 1 überwachen, um insbesondere Tiefentladungen zu verhindern. Die Funktionen werden im folgenden näher erläutert:
Bei einem herkömmlichen Ladevorgang, bei dem die gesamte Batterie 1 von einem Fahrzeuggenerator in bekannter Weise über die Klemmen B+, B– geladen wird, beträgt die Ladespannung z.B. 14,4V, d.h. jede der Einzelzellen 2a bis 2f sieht eine Ladespannung von 2,4V (14,4V/6). Um die Batterie 1 vollständig laden zu können, reicht diese Spannung von 14,4V meist nicht aus. Die Ladeelektronik 5 wählt daher einzelne Zellen 2a bis 2f aus, die mit einer höheren Spannung von z.B. 2,65V aufgeladen werden. Diese Spannung ist meist ausreichend, um die Gasungsspannung in einer Einzelzelle 2a bis 2f zu überschreiten. Dadurch können die Einzelzellen 2a bis 2f nacheinander vollständig aufgeladen werden. Der wesentliche Vorteil bei dieser Lademethode liegt darin, dass in dem an der Batterie 1 angeschlossenen Bordnetz nur eine Spannung von 14,4V + 0,25V = 14,65V auftritt. Um die Batterie 1 dagegen in herkömmlicher Weise über die Klemmen B+, B– vollständig aufzuladen, müsste an der Batterie 1 eine Spannung von etwa 16V (14,4V + 6 × 0,25V) angelegt werden. Dies kann zu einer Überlastung empfindlicher Verbraucher, wie z.B. von Steuergeräten im Bordnetz, führen.
Neben dieser Lade-Optimierung hat die hat die Elektronik darüber hinaus die Funktion, eine Tiefentladung der Batterie zu vermeiden. Hierzu wird die Zellenspannung der Einzelzellen 2a bis 2f an den Klemmen 6a, 6b; 6b, 6c, ... 6f, 6g abgegriffen und Schwellenwert überwacht. Somit kann festgestellt werden, ob die Zellenspannung in einer der Einzelzellen 2a bis 2f eine vorgegebene Mindestspannung unterschreitet. Ist dies der Fall, können verschiedene Maßnahmen im Rahmen eines Energie- und Verbrauchermanagements durchgeführt werden. Hierzu gehören beispielsweise das Erhöhen der Generatorleistung oder das Abschalten vorgegebener Verbraucher, um den Verbrauch zu mindern.
Durch den optimierten Lade-Entlade-Betrieb kann die Lebensdauer der Batterie 1 wesentlich erhöht werden.

1: Batterie
2a-2f: Einzelzellen
3a-31: Elektrodenplatten
4: Zellenverbinder
5: Elektronik
6a-6g: Abgriffe
B+, B–: Hauptklemmen

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer Batterie (1), insbesondere einer Fahrzeugbatterie, mit mehreren seriell verschalteten Einzelzellen (2a-2f), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (5) mit den Einzelzellen (2a-2f) verbunden und derart eingerichtet ist, dass an eine der Zellen (2a-2f) eine höhere Spannung anlegbar ist, als an eine andere der Zellen (2a-2f).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Einzelzellen (2a-2f) der Batterie (1) nacheinander mit einer höheren Spannung aufgeladen werden als andere Einzelzellen (2a-2f).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die höhere Spannung derart bemessen ist, dass die Gasungsspannung einer Einzelzelle (2a bis 2f) überschritten wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Ladespannung zwischen 0,1 und 0,5V höher ist als die normale Ladespannung.
Vorrichtung zum Schutz einer Batterie (1) vor Tiefentladung, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, wobei die Batterie (1) mehrere Einzelzellen (2a-2f) aufweist, die mit der Überwachungsvorrichtung (5) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Einzelzellen (2a-2f) abfallende Spannung gemessen und das Unterschreiten eines vorgegebenen Entladeschlußkriteriums an den Einzelzellen (2a-2f) individuell überwacht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des Entladeschlußkriteriums leistungserhöhende und/oder verbrauchsmindernde Maßnahmen eingeleitet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwiderstände der Einzelzellen (2a bis 2f) gemessen werden.