DE19521962A1 - Batterieladevorrichtung und -verfahren für ein Elektrofahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie für ein Elektrofahrzeug. Spezieller betrifft sie eine derartige Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen der Ladevorgang dann beendet werden kann, wenn festgestellt wird, daß die Batterie vollständig geladen ist.

Elektrofahrzeuge werden zunehmend interessant, da bei ihnen keine Abgase entstehen, im Gegensatz zu üblichen Fahrzeugen, die Kraftstoff oder Gas zum Antrieb verwenden. Bei Elektro­ fahrzeugen kann eine Batterie, die kontinuierlich elektri­ sche Energie, nur unterbrochen durch Ladevorgänge, liefert, halbpermanent zum Antreiben eines Motors verwendet werden.

Wenn in einer Batterie trotz vollständig geladenem Zustand der Ladestrom kontinuierlich weiterfließt, gelangt man in einen negativen Teil der Ladecharakteristik. Dort verringert sich die Batteriespannung, und es treten eine Verschlechte­ rung der Lebensdauer und des Wirkungsgrads der Batterie we­ gen der starken, in der Batterie entwickelten Wärme auf.

Um diese Schwierigkeit im Fall einer vollständig geladenen Batterie zu überwinden, wird gemäß einer herkömmlichen Tech­ nik der Ladevorgang dann abgeschlossen, wenn der Ladeendzu­ stand der Batterie abhängig vom jeweiligen Ladeverfahren festgestellt wird. Als allgemeine Verfahren zum Laden einer Batterie existieren ein Konstantstrom-Ladeverfahren und ein Konstantstrom/Konstantspannung-Ladeverfahren. Beim Konstant­ strom-Ladeverfahren wird der Ladeendzustand im allgemeinen durch eines der folgenden Verfahren festgestellt: Tempera­ tur-Abschaltverfahren (TCO-Verfahren), Flachverlauf-Zeit­ grenze-Verfahren und Spannungsabfall(-ΔV)-Verfahren.

Beim TCO-Verfahren wird, da es gefährlich ist, daß die Bat­ terietemperatur bei Konstantstromladung übermäßig ansteigt, der Ladezustand der Batterie abhängig von einer Ladegrenz­ temperatur ermittelt, die vom Hersteller spezifiziert wird. Bei diesem Verfahren ist es erwünscht, die Ladegrenztempera­ tur zu ermitteln, da dann, wenn die Batterietemperatur hoch ist, der Wirkungsgrad beim Laden der Batterie verbessert ist.

Beim Spannungsabfall(-ΔV)-Verfahren wird die Tatsache ge­ nutzt, daß eine Batterie beim Laden mit konstantem Strom im vollgeladenen Zustand die maximale Spannung erzeugt und es zu einem Spannungsabfall kommt, wenn intern Gas entsteht. Bei diesem Verfahren wird der Batterieladezustand mit Hilfe des optimalen Spannungsabfalls überwacht, wie er versuchs­ weise ermittelt wird.

Beim Flachverlauf-Zeitgrenze-Verfahren wird beim Laden mit Konstantstrom ebenfalls der Spannungsabfall überwacht. Dabei wird eine Meßzeitgrenze für den Spannungsabfall bestimmt, für den Fall, daß der Ladevorgang andauern soll. Wenn wäh­ rend der ermittelten Meßzeitgrenze für den Spannungsabfall kein solcher erfaßt wird, wird der Batterieladevorgang been­ det.

Beim Konstantstrom/Konstantspannung-Ladeverfahren werden allgemein das TCO-Verfahren und ein Ladestrom-Grenzverfahren zum Erfassen des Ladezustands einer Batterie verwendet.

Beim Ladestrom-Grenzverfahren wird die Tatsache genutzt, daß zunächst viel Ladestrom fließt, wobei nach dem Laden mit einem vorgegebenen Strom innerhalb des Konstantstrom-Lade­ modus ein Konstantspannung-Lademodus verwendet wird. Wenn jedoch die Zeit vergeht, verringert sich der Ladestrom. Wenn der Ladestrom unter einen speziellen Wert fällt, wird der Ladevorgang für die Batterie beendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Batterie für ein Elektro­ fahrzeug zu schaffen, die die Erschöpfung und die Stabilität einer Batterie dadurch verbessern können, daß der Ladeend­ zustand zuverlässig überwacht wird.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich der Vorrichtung durch die Lehre von Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre von Anspruch 7 gelöst.

Gemäß der Erfindung werden herkömmliche Verfahren zum Erfas­ sen des Ladeendzustands einer Batterie gemeinsam verwendet, d. h., es werden die Ladetemperatur, die Ladespannung und der Strom beim Laden/Entladen zur Erkennung genutzt.

Weitere Vorteile und Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Steuervorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Elektrofahrzeug zeigt; und

Fig. 2A und 2B sind Betriebsflußdiagramme für Steuerverfah­ ren zum Laden einer Batterie für ein Elektrofahrzeug gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Nachfolgend wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Er­ findung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Steuervorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Elektrofahrzeug einen Batterietemperatur- Meßteil 10, der die Batterietemperatur in Abhängigkeit vom Ladezustand einer Batterie mißt, einen Strom-Meßteil 20 zum Messen des Stroms beim Laden/Entladen der Batterie, einen Batteriespannung-Meßteil 30 zum Messen der Batteriespannung, einen Lademodus-Umschalter 51, der den Lademodus bestimmt, einen Ladesteuerteil 40, der mit den Ausgangsanschlüssen der vorstehend genannten Meßteile 10, 20 und 30 verbunden ist, um ein Ladetreibersignal abhängig davon zu steuern, ob der Endladezustand der Batterie erkannt wird, einen Batterie­ ladeteil 50, der mit dem Ausgangsanschluß des Ladesteuer­ teils 40 verbunden ist, und einen Warnteil 60.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dient als Batterie eine Blei-Säure-Batterie. Jedoch besteht keine Be­ schränkung auf eine derartige Batterie.

Der Batterieladevorgang gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Wenn Spannung an das Fahrzeug gelegt wird, initialisiert der Ladungssteuerteil 40 alle Betriebsschaltungen und Betriebs­ variablen (S110) und erfaßt einen vorgegebenen Lademodus (S120).

Als Batterielademodus existieren, wie oben angegeben, ein Konstantstrom-Lademodus und ein Konstantstrom/Konstantspan­ nung-Lademodus. Der vorgegebene Lademodus wird durch Betrei­ ben des Lademodus-Umschalters S1 festgelegt.

Wenn der vorgegebene Lademodus der Konstantstrom-Lademodus ist, werden zum Erfassen des Endladezustand der Batterie ein Temperatur-Abschaltverfahren (TCO-Verfahren), ein Spannungs­ abfallverfahren und ein Flachverlauf-Zeitgrenze-Verfahren verwendet. Wenn der vorgegebene Lademodus das Konstantstrom/ Konstantspannung-Ladeverfahren ist, werden das TCO-Verfahren und ein Strombegrenzungsverfahren verwendet. Nach dem Be­ stimmen des vorgegebenen Ladeverfahrens (S130) überprüft der Ladesteuerteil 40 (S140) dann, wenn der vorgegebene Lademo­ dus das Konstantstrom/Konstantspannung-Ladeverfahren ist, die Batterietemperatur Ti, um den Endladezustand der Batte­ rie gemäß dem TCO-Verfahren zu bestimmen.

Der Batterietemperatur-Meßteil 10 ist mit einem Thermoele­ ment versehen und erzeugt ein der Temperatur entsprechendes elektrisches Signal in Form einer elektromotorischen Kraft, das an den Ladungssteuerteil 40 gegeben wird. Dieser erhält somit ein Signal zur Batterietemperatur Ti, und er ermittelt die Beziehung zur vorgegebenen Ladevorgang-Beendigungstempe­ ratur Tc (S150). In diesem Schritt (S150) wird ermittelt, ob die aktuell gemessene Batterietemperatur Ti über der Lade­ vorgang-Beendigungstemperatur Tc liegt. Wenn sie darunter liegt, wird dies entsprechend festgestellt (S160).

Wenn die aktuelle Batterietemperatur Ti unter der Ladevor­ gang-Beendigungstemperatur Tc liegt, jedoch über der Batte­ rieumgebungstemperatur T1, erkennt der Ladesteuerteil 40 den aktuellen Batterieladezustand als Grenzladezustand anstelle des Endladezustands und gibt dann eine Warnung hinsichtlich der Grenze durch Betätigen des Warnteils 60 aus (S170).

Wenn die aktuelle Batterietemperatur Ti über der Ladevor­ gang-Grenztemperatur Tc liegt, beendet der Ladesteuerteil 40 den Ladevorgang (S370) dadurch, daß er feststellt, daß der Batterieladevorgang beendet ist, und er beendet den Betrieb des Batterieladeteils 50.

Wenn die aktuelle Batterietemperatur Ti unter der Batterie­ umgebungstemperatur T1 liegt, mißt der Ladesteuerteil 40 den Ladestrom I (S180), um den Endladezustand der Batterie ab­ hängig vom Stromgrenzverfahren zu ermitteln.

Nachdem der Konstantstrom-Ladevorgang in einen Konstantspan­ nung-Ladevorgang umgeschaltet wurde, wird die Beziehung zwi­ schen dem gemessenen Ladestrom I und dem vorgegebenen Lade­ grenzstrom Is ermitteln (S190), um zu erkennen, ob der Lade­ strom unter dem vorgegebenen Wert liegt.

Wenn der gemessene Ladestrom I im Ladegrenzstrom Is liegt, wird die Batterietemperatur erneut überprüft. Wenn der ge­ messene Ladestrom I unter dem Ladegrenzstrom Is liegt, been­ det der Ladesteuerteil 40 die Endladezustand-Meßroutine ab­ hängig vom Konstantspannung/Konstantstrom-Ladeverfahren nach dem Beenden (S370) der Funktion des Batterieladeteils 50, und zwar durch Ermitteln des Endladezustands, bei dem der Strom unter den vorgegebenen Strom fällt, infolge des Um­ schaltens in den Konstantspannung-Ladevorgang.

Wenn der vor stehend genannte Batterielademodus das Konstant­ stromverfahren ist, erkennt der Ladesteuerteil 40 (S200 bis S230) den Endladezustand der Batterie gemäß dem Temperatur- Abschaltverfahren, wie oben angegeben. Wenn der Endladezu­ stand nicht abhängig vom Temperatur-Abschaltverfahren be­ stimmt wird, wird das Spannungsabfallverfahren verwendet, wie durch Fig. 2B veranschaulicht. Um den Endladezustand hierdurch zu erfassen, überprüft der Batteriesteuerteil 40 (S240) die Batteriespannung Vb. Dazu erfaßt der Batterie­ spannung-Meßteil 30 den aktuellen Spannungszustand der ge­ ladenen Batterie, und er erzeugt ein zugehöriges Signal für den Ladesteuerteil 40.

Nachdem der Ladesteuerteil 40 die aktuelle Ladespannung er­ faßt hat, ermittelt er (S250) die Beziehung zwischen der ge­ messenen Ladespannung und einer Spannung, die dadurch erhal­ ten wird, daß die vorgegebene Endladezustand-Näherungsspan­ nung mit der Anzahl an Batterien multipliziert wird.

Wenn sich die aktuelle Batterieladespannung im Volladebe­ reich befindet, wird ein Spannungsabfall Vd dadurch erhalten (S260), daß die im aktuellen Schritt erhaltene, gemessene Ladespannung Vb von der beim vorigen Durchlauf erhaltenen Ladespannung Vb-1 abgezogen wird.

Wenn die aktuelle Batterieladespannung nicht im Endladebe­ reich liegt, wird erneut die Batterietemperatur überprüft.

Nachdem der Spannungsabfall Vd im Endladezustand erhalten ist, wird ermittelt (S270), ob er größer als null ist. Wenn dies der Fall ist, ist die beim vorigen Durchlauf gemessene Batteriespannung Vb(i-1) die maximale Batteriespannung Vmax, und es wird ermittelt (S290), ob der Spannungsabfall über einem vorgegebenen Wert liegt.

Wenn der Spannungsabfall Vd über demjenigen Spannungsabfall (-ΔV) liegt, wie er vorlag, nachdem die maximale Batterie­ spannung nahe dem Endladezustand war, beendet der Ladesteu­ erteil 40 (S350) den Betrieb des Batterieladeteils 50. Wenn der vorstehend genannte Spannungsabfall Vd unter dem vorge­ gebenen Wert liegt, wird das Flachverlauf-Zeitgrenze-Verfah­ ren verwendet.

Wenn der berechnete Spannungsabfall kleiner als null ist, stellt der Ladesteuerteil 40 fest, daß kein Spannungsabfall gemäß dem Endladezustand auftritt, und er erkennt, daß ein Spannungsschwankungseffekt vorliegt.

Im Endladezustand kann ein Schwankungseffekt kontinuierlich auftreten, ohne daß ein Spannungsabfall auftritt, und zwar infolge von in der Batterie entwickeltem Gas. Um festzustel­ len, ob der Schwankungseffekt vorliegt, bestimmt der Lade­ steuerteil 40 die aktuell gemessene Ladespannung Vb als La­ despannung Vb(i-1), wie sie im vorigen Durchlauf gemessen wurde, und er setzt die maximale Batteriespannung Vmax zu­ rück (S300 bis S310).

Nach dem Zurücksetzen der normalen Batteriespannung Vmax er­ mittelt der Ladesteuerteil 40 (S320) die Beziehung zwischen der vorgegebenen Ladespannung Vb(i-1) und der mittleren Bat­ teriespannung X im Vollade/Überlade-Abschnitt. Wenn die vor­ stehend genannte Ladespannung Vb(i-1) unter der Batterie­ spannung X im Vollade/Überlade-Bereich liegt, bestimmt der Ladesteuerteil 40, daß keine Schwankung vorliegt, und er überprüft die Batterietemperatur erneut.

Wenn die vorstehend genannte Ladespannung Vb(i-1) über der Batteriespannung X im Vollade/Überlade-Bereich liegt, be­ stimmt der Ladesteuerteil 40, daß ein Schwankungseffekt vor­ liegt. Daher wird das Flachverlauf-Zeitgrenze-Verfahren ver­ wendet, um den Endladezustand der Batterie zu bestimmen.

Nachdem +1 zu einer Variablen Y addiert ist, die die Lade­ zeitgrenze mißt, ermittelt der Ladesteuerteil 40 (S340) die Beziehung zwischen der vorstehend genannten Variablen und dem Ladezeit-Grenzwert Ts für den Fall, daß nahe dem Voll­ ladezustand kein Spannungsabfall auftritt.

Wenn die gemessene Zeit Y unter dem Ladezeit-Grenzwert Ts liegt, überprüft der Ladesteuerteil 40 die Batterietempera­ tur erneut und führt das Temperatur-Abschaltverfahren (TCO- Verfahren) aus. Wenn der gemessene Wert Y über dem Ladezeit- Grenzwert Ts liegt, beendet der Ladesteuerteil 40 den Lade­ vorgang und beendet den Ablauf (S350 bis S360) dadurch, daß er den Betrieb des Batterieladeteils 50 beendet.

Wie vorstehend beschrieben, schafft die Erfindung eine Steuervorrichtung und ein -verfahren zum Laden einer Batte­ rie für ein Elektrofahrzeug, die den Endladezustand einer Batterie dadurch genau erfassen können, daß eine Anzahl Ver­ fahren verwendet werden, die den Endladezustand erkennen können, wobei diese Erkennungsverfahren abhängig vom Batte­ rieladeverfahren verwendet werden. Dadurch werden die Er­ schöpfung und die Stabilität der Batterie verbessert.

Claims (9)

1. Steuervorrichtung zum Laden einer Batterie für ein Elektrofahrzeug, gekennzeichnet durch:

• - eine Batterietemperatur-Meßeinrichtung (10) zum Messen der Batterietemperatur und zum Umsetzen der Temperatur in ein elektrisches Signal;
• - eine Batteriespannung-Meßeinrichtung (30) zum Messen der Ladespannung der Batterie und zum Umsetzen der Ladespannung in ein elektrisches Signal;
• - eine Strom-Meßeinrichtung (20) zum Messen des Stroms beim Laden/Entladen der Batterie und zum Erzeugen eines entspre­ chenden elektrischen Signals;
• - einen Lademodus-Umschalter (S1) zum Festlegen des Lade­ modus für die Batterie;
• - eine Ladesteuereinrichtung (40), die wie folgt arbeitet:
• - wenn der vorgegebene Lademodus ein Konstantstrom/Kon­ stantspannung-Verfahren ist, wird ein Ladeendsignal erzeugt, wenn die Batterietemperatur über einer vorgegebenen Maximal­ temperatur liegt, jedoch wird der Endladezustand abhängig von der gemessenen Stromstärke bestimmt und entsprechen wird das Ladeendsignal erzeugt, wenn die Batterietemperatur unter einer vorgegebenen Minimaltemperatur liegt; und
• - wenn der vorgegebene Lademodus ein Konstantstrom-Lademo­ dus ist, überprüft sie, ob die Batterietemperatur unter einer vorgegebenen Minimaltemperatur ist, um den Zustand des Batteriespannungsabfalls zu erfassen, um dann, wenn dieser unter einer vorgegebenen Spannung liegt, das Ladeendsignal abhängig von einer Ladegrenzzeit zu erzeugen; und
• - eine Batterieladeeinrichtung (50) zum Ausführen des Lade- Vorgangs der Batterie abhängig vom Signal von der Ladesteu­ ereinrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Ladesteuereinrichtung (40) den beim Laden/Entladen fließenden Strom mißt, wenn die Temperatur unter der vorge­ gebenen Minimaltemperatur liegt; und
• - die Ladesteuereinrichtung den Endladezustand erkennt, bei dem der Strom verringert ist und der Konstantstrom-Ladevor­ gang in einen Konstantspannung-Ladevorgang umgeschaltet ist, wenn die gemessene Stromstärke unter der vorgegebenen liegt.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ladesteuereinrichtung (40) ein Ladeendsignal erzeugt, wenn der Batteriespannungsabfall über der vorgegebenen Spannung liegt, wenn die Ladegrenzzeit ver­ strichen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Warneinrichtung (60), die eine War­ nung dahingehend ausgibt, daß der aktuelle Batteriezustand der Endladezustand ist, wenn die Batterietemperatur unter der vorgegebenen Maximaltemperatur und über der vorgegebenen Minimaltemperatur liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß dann, wenn die gemessene Batterie­ temperatur unter der vorgegebenen Maximaltemperatur und über der vorgegebenen Minimaltemperatur liegt, die Ladesteuerein­ richtung (40) ein Warnsignal erzeugt, um anzuzeigen, daß sich der Batterieladezustand in einem gefährlichen Bereich des Endladezustands befindet.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - die Ladesteuereinrichtung (40) ermittelt, ob Spannungs­ schwankungen auftreten, wenn bezüglich der gemessenen Batte­ rieladespannung kein Spannungsabfall auftritt;
• - die Ladesteuereinrichtung die Ladezeit mißt und den Be­ trieb des Batterieladevorgangs abhängig von der gemessenen Ladezeit steuert, wenn Spannungsschwankungen auftreten; und
• - die Ladesteuereinrichtung erneut die Batterietemperatur prüft, wenn keine Spannungsschwankung auftritt.

7. Steuerverfahren zum Laden einer Batterie für ein Elek­ trofahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Initialisieren aller Funktionsschaltungen und Betriebs­ variablen, und Festlegen eines vorgegebenen Lademodus, wenn Spannung an ein Fahrzeug angelegt wird;
• - Beenden des Ladevorgangs, wenn der vorgegebene Lademodus ein Konstantstrom/Konstantspannung-Verfahren ist, unter Be­ werten eines Zustands als Endladezustand, wenn die Batterie­ temperatur über einer vorgegebenen Temperatur liegt, aber der Batteriestrom gemessen wird, wenn die Batterietemperatur unter der vorgegebenen Temperatur liegt;
• - Beenden des Ladevorgangs, wenn der gemessene Strom kleiner als ein vorgegebener Strom ist, durch Erkennen, daß die Bat­ terie vollständig geladen ist, wobei der Konstantstrom-Lade­ vorgang in einen Konstantspannung-Ladevorgang umgeschaltet wird und der Strom verringert wird;
• - Erfassen der Batterietemperatur und Beenden des Ladevor­ gangs, wenn der vorgegebene Lademodus ein Konstantstromver­ fahren ist, wenn die Batterietemperatur über der vorgegebe­ nen liegt, aber die Batteriespannung gemessen wird, wenn die Batterietemperatur unter der vorgegebenen liegt;
• - Erfassen des Spannungsabfalls, der die Differenz zwischen der genannten, gemessenen Spannung und der bei einem vorigen Durchlauf gemessenen Spannung ist, und Beenden des Ladevor­ gangs durch Erkennen des Entladezustands, wenn der berechne­ te Spannungsabfall größer als eine Bezugsspannung ist, und Messen der Batterieladezeit, wenn der berechnete Spannungs­ abfall kleiner als die Bezugsspannung ist; und
• - Erkennen des Endladezustands der Batterie durch Messen der Batterietemperatur, wenn die vorstehend genannte, gemessene Ladezeit eine vorgegebene Ladegrenzzeit nicht überschreitet, und Beenden des Ladevorgangs durch Erkennen des Endladezu­ stands, wenn die gemessene Ladezeit die vorgegebene Lade­ grenzzeit überschreitet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Warnschritt, um anzuzeigen, daß der Batterieladezustand in einem gefährlichen Bereich des Endladezustands ist, wenn die gemessene Batterietemperatur unter einer vorgegebenen Maxi­ maltemperatur und über einer vorgegebenen Minimaltemperatur liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, gekenn­ zeichnet durch folgende Schritte:

• - Ermitteln mittels der Ladesteuereinrichtung, ob Spannungs­ schwankungen vorliegen, wenn kein Spannungsabfall abhängig von der gemessenen Batterieladespannung auftritt;
• - Messen der Ladezeit und Steuern des Betriebs des Batterie­ ladevorgangs abhängig von der durch die Ladesteuereinrich­ tung gemessenen Ladezeit, wenn Spannungsschwankungen auftre­ ten; und
• - erneutes Überprüfen der Batterietemperatur durch die Lade­ steuereinrichtung, wenn keine Spannungsschwankungen auftre­ ten.