DE19533543A1

DE19533543A1 - Ladungsausgleich von in Reihe geschalteten Zellen oder Batterien

Info

Publication number: DE19533543A1
Application number: DE19533543A
Authority: DE
Inventors: Walter B Ebner; David R Pacholok; David T Fouchard
Original assignee: Rayovac Corp; Ray O Vac Corp
Current assignee: Spectrum Brands Inc
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-09-11
Publication date: 1996-03-14
Also published as: FR2724502B1; US5594320A; CA2157823C; GB2293060A; CA2157823A1; FR2724502A1; GB9518334D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet des Aufladens von Batterien und insbesondere das Aufladen von mehreren in Reihe geschalteten Zellen oder Batterien.

Jede Art von elektrochemischer Zelle hat eine charakte ristische "Volladungs"-Spannung. Eine geringere Zellenspan nung zeigt einen Ladungszustand an, der niedriger als "voll" ist. Um eine höhere Spannung als diejenige zu er reichen, die von einer einzelnen Zelle bereitgestellt wer den kann, werden Zellen häufig mit internen oder integrier ten Schaltungen zwischen den Zellen in Reihe geschaltet, um eine Batterie zu bilden, die das gewünschte Niveau der Aus gangsspannung aufweist. Bestimmte Arten elektrochemischer Zellen, wie wiederaufladbare Alkali-Mangan-, Lithium und Lithium-Ionen-Zellen, weisen keine interne Ladungs steuerungseinrichtung auf. Wenn das Aufladen solcher Zellen nicht sorgfältig gesteuert wird, kann das zu einer Über ladung führen, die irreversible Veränderungen der Zellen chemie, Leistungsverluste und in extremen Fällen ein Ent lüften bzw. Auslaufen der Zellen bewirkt. Das Aufladen von in Reihe geschalteten Zellen dieser Art ist daher schwie rig, weil es passieren kann, daß die Zellenspannungen und -kapazitäten nicht gleich sind, was dazu führen kann, daß einige Zellen überladen werden.

Zur Lösung dieses Problems sind Ausgleichsvorrichtungen entwickelt worden, welche die Spannung über jeder Zelle überwachen und Widerstände oder Stromsenken über die Zelle oder Zellen mit einer Überspannung schalten, um die Zelle oder Zellen teilweise zu entladen und um dadurch einen Ladungsausgleich zwischen den Zellen zu erreichen. Bei dem Ausgleichen der Ladung der Zellen auf diese Art und Weise wird jedoch Energie verschwendet und es kommt ebenfalls zu einer unerwünschten Erwärmung des Batteriepacks, weil die Ausgleichsschaltung typischerweise körperlich in dem Batteriegehäuse angeordnet ist. Zusätzlich ist die Ge schwindigkeit, mit der die Zellen ausgeglichen werden können, und folglich die Geschwindigkeit, mit der die Zellen wiederaufgeladen werden können, auf die Höhe der zulässigen Energiedissipation beschränkt.

Der Ladungsausgleich von mehreren in Reihe geschalteten Zellen (oder Batterien) wird gemäß der vorliegenden Er findung schnell und im wesentlichen ohne unnötige Energie dissipation durchgeführt. Der Ausgleichsvorgang wird auto matisch durchgeführt, ohne daß es erforderlich ist, die Spannungen über einzelnen Zellen oder Batterien (Zellen einheiten) zu vergleichen, und wird vorzugsweise beim Auf laden der Zelleneinheiten durchgeführt. Des weiteren schafft die vorliegende Erfindung einen Stromfluß zu einer Zelleneinheit im Verhältnis zu der Differenz in den Span nungen zwischen den Zelleneinheiten, so daß die am schwäch sten aufgeladene Zelleneinheit den größten Ladestrom von der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit aufnimmt, wäh rend Zelleneinheiten mit Spannungen, die zwischen den höchsten und niedrigsten Spannungen (wenn mehr als zwei Zelleneinheiten aufgeladen werden) liegen, geringere Lade ströme aufnehmen. In dieser Art und Weise wird Energie von den am stärksten aufgeladenen Zelleneinheiten zu der Zelleneinheit oder den Zelleneinheiten mit geringerer Auf ladung übertragen.

Die Ausgleichsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Transformator, der eine Vielzahl von Wick lungen auf einem gemeinsamen Kern aufweist, mit einer Wicklung für jede der aufzuladenden Zelleneinheiten. Alle Wicklungen haben die gleiche Anzahl von Windungen und sind eng miteinander gekoppelt (vorzugsweise unter Verwendung multifilarer Drähte), so daß die Streuinduktivität jeder Wicklung minimal ist. Eine steuerbare Schaltvorrichtung ist in Reihe mit jeder Wicklung geschaltet, und die Reihen schaltung von jeder Wicklung und der Schaltvorrichtung ist parallel zu eine der Zelleneinheiten geschaltet. An den Schaltvorrichtungen ist ein Oszillator angeschlossen, der ein Steuersignal an jede Schaltvorrichtung liefert, um diese gleichzeitig mit einer hohen Schaltfrequenz ein- und auszuschalten. Die Schaltfrequenz liegt vorzugsweise ober halb des hörbaren Bereichs, vorzugsweise bei 20 kHz oder höher. Ein separates Batterieladegerät kann gleichzeitig Ladestrom an die in Reihe geschalteten Zelleneinheiten liefern.

Wenn die Schaltvorrichtungen eingeschaltet sind, entspre chen die Spannungen über allen Wicklungen im wesentlichen der Spannung über der am stärksten aufgeladenen Zellen einheit, von der Strom in die mit dieser Zelleneinheit verbundenen Transformatorwicklung fließen wird. Aus den Wicklungen, die mit den schwächer aufgeladenen Zellenein heiten verbunden sind, wird Strom fließen, und folglich Energie von den am stärksten aufgeladenen Zelleneinheiten zu den schwächer aufgeladenen Zelleneinheiten übertragen. Für den Fall, daß mehr als zwei Zelleneinheiten aufgeladen werden, wird der Strom von der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit in die Wicklungen aufgeteilt, die mit den anderen Zelleneinheiten verbunden sind, und zwar im Ver hältnis zu der Spannungsdifferenz zwischen der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit und jeder der anderen Zellenein heiten.

Weil die Steuerung des Energieflusses von Schaltelementen durchgeführt wird, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind, treten sehr geringe Energieverluste in der Aus gleichsschaltung und nur eine sehr geringe Erwärmung der Komponenten auf. Folglich kann der Ausgleichsvorgang, im Vergleich mit herkömmlichen Ausgleichsschaltungen, mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden, und der Ausgleichsvorgang wird mit einer höheren Energie effizienz durchgeführt. Die hohe Schaltfrequenz ist hoch genug und vorzugsweise oberhalb des hörbaren Bereichs, so daß der Betrieb im wesentlichen geräuschlos ist. Weil die Übertragung von Energie von der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit zu schwächer aufgeladenen Zelleneinheiten durch den inhärenten Betrieb der Schaltung automatisch durchgeführt wird, sind keine komplexen Spannungsver gleichsschaltungen erforderlich, was die Komplexität und die Kosten der Schaltung minimiert. Zusätzlich arbeitet die vorliegende Erfindung ohne Beachtung der Temperatur, weil keine Spannungsmessungen durchgeführt werden müssen, und eine Kompensation von Temperaturänderungen, die in Verän derungen der Spannungen in den Zelleneinheiten resultieren können, ist nicht erforderlich.

Die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung kann auch eine zweite Wicklung und eine zweite Schaltvorrichtung enthal ten, die zusammen für jede der Zelleneinheiten mit der ersten Wicklung und der ersten Schaltvorrichtung parallel geschaltet sind. Ein Oszillator ist für jede Zelleneinheit an die erste und die zweite Schaltvorrichtung angeschlos sen, um diese abwechselnd ein- bzw. auszuschalten, so daß, wenn jede der ersten Schaltvorrichtungen eingeschaltet ist, die zweiten Schaltvorrichtungen ausgeschaltet sind, und umgekehrt, wenn die zweiten Schaltvorrichtungen eingeschal tet sind, die ersten Schaltvorrichtungen ausgeschaltet sind. In dieser Art und Weise kann Ladestrom von der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit an die schwächer aufgeladene Zelleneinheit geliefert werden, und zwar in beiden Hälften des Schaltzyklus, was sogar einen noch schnelleren Ausgleich der Zelleneinheiten erlaubt, wobei die B-H-Kurve des Transformatorkerns effizienter genutzt wird, und es möglich ist, die Größe des Transformators zu reduzieren.

Weitere Aufgaben, Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfin dung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeich nungen zu lesen ist.

Zu den Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Ausgleichsvor richtung der vorliegenden Erfindung, die dazu dient, den Ausgleich von zwei in Reihe geschalteten, aufzuladenden Zelleneinheiten zu schaffen.

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer er findungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung, die dazu dient, einen Ausgleich der Aufladung von zwei Zelleneinheiten zu schaffen.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte, äquivalente Schaltung für einen Teil der Ausgleichsvorrichtung aus Fig. 2.

Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer erfin dungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung, die dazu dient, einen Ladungsausgleich von mehr als zwei Zelleneinheiten zu schaffen.

Fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild einer erfin dungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung, die an zwei Zellenein heiten angeschlossen ist, um in beiden Hälften des Schalt zykluses einen Ausgleichsstrom zwischen den Zelleneinheiten zu schaffen.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ladesystems gezeigt, das eine Aus gleichsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, die an zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zelleneinheiten 11 und 12 angeschlossen ist. Die Zellen einheiten 11 und 12 können verschiedene Arten von elektro chemischen Zellen enthalten, wie Lithium-Ionen-, wieder aufladbare Lithium- und wiederaufladbare Alkali-Mangan- Batterien des Typs enthalten, der gewöhnlich beispielsweise in batteriebetriebenen Telefonen, Videorecordern und -abspielgeräten, Kameras, schnurlosen Werkzeugen, tragbaren Kommunikationsgeräten, Elektrofahrzeugen usw. verwendet wird. Obwohl das Problem des Ladungsausgleichs von ein zelnen, in Reihe geschalteten Zellen dieses Typs am meisten akut ist, können die Zelleneinheiten 11 und 12 Batterien von intern oder extern verbundenen Zellen enthalten, wo ein Bedarf besteht, die Ladung über den zwei oder mehr trenn baren Zelleneinheiten korrekt auszugleichen. Der Begriff "Zelleneinheit", wie er hier verwendet wird, soll sich sowohl auf einzelne Zellen als auch auf intern oder extern verbundene Batterien aus Zellen beziehen. Das erläuternde Ladesystem aus Fig. 1 enthält ein Ladegerät 14, das einen Ladestrom I_c an Verbindungsleitungen 15 und 16 liefert, wobei der Ladestrom I_c in Reihe durch die Batterien 11 und 12 hindurchgeht. Das Ladegerät 14 kann von einem beliebigen Typ eines herkömmlichen Ladegeräts sein, einschließlich Ladegeräten bei konstantem Strom, Notstrom- und Pufferlade geräten, die im Stand der Technik bekannt sind. Die Aus gangsspannung des Ladegeräts 14, V_c, wird über den in Reihe geschalteten Zelleneinheiten 11 und 12 angelegt. Eine Ver bindungsleitung 17 erstreckt sich von der Ausgleichsvor richtung 10 zu der positiven Klemme der Zelleneinheit 11 und eine Verbindungsleitung 18 erstreckt sich von der Aus gleichsvorrichtung zu der negativen Klemme der Zellenein heit 11 und zu der positiven Klemme der Zelleneinheit 12. Eine weitere Verbindungsleitung 19 erstreckt sich von der Ausgleichsvorrichtung zu der negativen Klemme der Zellen einheit 12. Obwohl die Ausgleichsvorrichtung 10 somit prak tisch parallel zu den Zelleneinheiten 11 und 12 über das Ladegerät 14 geschaltet ist, nimmt sie im wesentlichen keine Leistung von dem Ladegerät auf. Die erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung 10 kann mit unterschiedlichen Typen von Standardladegeräten verwendet werden, die unterschied liche Ladeschemata verwenden, wie Pufferladegeräte und Ladegeräte bei konstantem Strom, weil die Ausgleichsvor richtung 10 keine signifikante Leistung oder Energie von dem Ladegerät 14 aufnimmt. Es ist klar, daß die Ausgleichs vorrichtung 10, wenn gewünscht, arbeiten kann, während das Ladegerät 14 die Zelleneinheiten nicht auflädt. Wie weiter unten beschrieben ist, kann die Ausgleichsvorrichtung 10 automatisch betätigt werden, wenn das Ladegerät 14 Strom an die Zelleneinheiten 11 und 12 liefert.

Ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Aus gleichsvorrichtung 10 zur Versorgung der beiden Zellenein heiten 11 und 12 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Ausgleichsvor richtung 10 enthält einen Transformator 21 mit einem Kern 22, um den eine Wicklung 23 und eine Wicklung 24 gewickelt ist. Die Wicklungen 23 und 24 sind vorzugsweise aus bifi laren Drähten (beispielsweise Nr. 28 AWG-Draht) gebildet, die mit einem sehr kleinen Abstand (beispielsweise weniger als 0,001 Zoll) auf den Kern 22 gewickelt sind. Weil die Wicklungen 23 und 24 aus bifilaren Wicklungen gebildet sind, hat jede eine gleiche Anzahl von Windungen (bei spielsweise 30 Windungen). Der Kern 22 kann ein E-Kern (z. B. 41205-EC, "J"-Material, erhältlich bei Magnetic Devices, Inc. von Crystal Lake, Illinois; oder ein 1408-3C8 POT-Kern) sein. Die Wicklung 23 ist mit der Leitung 17 verbunden, die zu der positiven Klemme der Zelleneinheit 11 führt. Ein Ende der Wicklung 24 ist durch die Leitung 18 mit der negativen Klemme der Zelleneinheit 11 und der posi tiven Klemme der Zelleneinheit 12 verbunden. Eine steuer bare Schaltvorrichtung 26, wie ein Leistungs-MOSFET (bei spielsweise MTP25NO6L), ist mit der Wicklung 23 und durch eine Verbindungsleitung 27 mit einem Knoten 28 verbunden, an den die Leitung 18 angeschlossen ist. Die Serien schaltung der Wicklung 23 und der Schaltvorrichtung 26 ist somit parallel zu der Zelleneinheit 11 geschaltet. Eine weitere Schaltvorrichtung 30 ist mit der Wicklung 24 und, durch eine Leitung 31, mit der Leitung 19 verbunden, die zu der negativen Klemme der Zelleneinheit 12 führt. Somit ist die Reihenschaltung der Wicklung 24 und der Schaltvorrich tung 30 parallel zu der Zelleneinheit 12 geschaltet. Die gesteuerte bzw. geregelte Schaltvorrichtung 30 kann eben falls ein Leistungs-MOSFET (beispielsweise MTP25NO6L) sein.

Ein Oszillatorchip 34 (beispielsweise HA7555; TLC555) hat einen Widerstand 35 und einen Kondensator 36, die daran angeschlossen sind, um ein Rechteckwellen-Ausgangssignal mit einer gewünschten Frequenz (für die in Fig. 2 gezeig ten Werte der Widerstände und der Kapazität mit 25 kHz) an eine Leitung 38 zu liefern. Eine Verbindungsleitung 39 ist von dem Erdungsstift des Chips 34 an die Leitung 31 und somit an die negative Klemme der Zelleneinheit 12 ange schlossen, und die Leitung 40 ist von den Speisespannungs stiften des Chips 34 an eine Leitung 41 angeschlossen, die an die Leitung 27 und somit an die positive Klemme der Zel leneinheit 12 angeschlossen ist, um Energie bzw. Leistung an den Chip 34 zu liefern. Das Rechteckwellen-Ausgangs spannungssignal in der Leitung 38 von dem Chip 34 wird (durch einen Widerstand 43) an das Gate 44 des MOSFETs 30 geliefert und ist durch einen Kondensator 45 mit dem Gate 46 des MOSFETs 26 gekoppelt. Der Kondensator 45 schafft eine Gleichspannungsisolation der Gates 44 und 46, während das Rechteckwellen-Spannungssignal im wesentlichen von dem Chip 34 zu dem Gate 46 hindurchkommt, so daß an dem Gate 46 im wesentlichen die gleiche Wellenform präsent ist wie an dem Gate 44. Folglich werden die MOSFET′s 26 und 30 mit der Schaltfrequenz des Oszillators 34 gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Um das Gate 46 in korrekter Beziehung zu der Source des MOSFET′s 26 zu halten, sind eine Diode 48 und ein Widerstand 49 in Parallelschaltung zwischen die Source und das Gate 46 geschaltet. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann zwischen die Leitung 17, die zu der positiven Klemme der Zelleneinheit 11 und durch die Leitungen 41, 27 und 18 zu der negativen Klemme der Zelleneinheit 11 führt, und die Leitung 10 ein Kondensator 50 geschaltet sein, und in ähn licher Weise kann zwischen die Leitung 18, die zu der posi tiven Klemme der Zelleneinheit 12 führt, und eine Leitung 19, die zu der negativen Klemme der Zelleneinheit 12 führt, ein Kondensator 51 geschaltet sein, und zwar zu Dämpfungs zwecken, wenn die Zellen in einem erheblichen körperlichen Abstand von der Ausgleichsvorrichtung 10 angeordnet sind und die Leitungsinduktivität ein Faktor ist.

Der Oszillator 34 liefert jeweils ein im wesentlichen Rechteckwellen-Ausgangssignal an die Gates 44 und 46 der MOSFET-Schalter 30 und 26. Diese Schalter werden gleich zeitig für etwa gleiche Zeiträume ein- und ausgeschaltet. Wenn die Schalter eingeschaltet werden, wird die Spannung von der Zelleneinheit 11 an der Wicklung 23 und die Span nung von der Zelleneinheit 12 an der Wicklung 24 angelegt. Weil die Wicklungen 23 und 24 exakt die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen und eng gekoppelt sind, wird die Span nung der stärker aufgeladenen Zelleneinheit entweder der Einheit 11 oder 12, sowohl an der Wicklung 23 als auch der Wicklung 24 auftreten. Z.B., wenn die Zelleneinheit 11 stärker aufgeladen ist als die Zelleneinheit 12, wird die Spannung an den Wicklungen 23 und 24 die Spannung der Zel leneinheit 11 sein, und Strom wird durch die Zelleneinheit 11 in einer Richtung von der negativen zu der positiven Klemme und durch die Wicklung 23 fließen, wobei in der Wicklung 24 ein Strom induziert wird, der in einer Richtung von der positiven Klemme zu der negativen Klemme der Zel leneinheit 12 fließt. Folglich wird in der Zeit, in der die Schaltvorrichtungen 26 und 30 eingeschaltet sind, Energie von der Zelleneinheit 11 zu der Zelleneinheit 12 über tragen. Das Niveau des Stromflusses wird direkt propor tional zu der Differenz zwischen den Spannungen an den Zelleneinheiten 11 und 12 sein. Weil sich die Spannungen der beiden Zelleneinheiten einander annähern, wird das Niveau des Stromflusses abnehmen und im wesentlichen Null werden, wenn die beiden Zelleneinheiten gleich aufgeladen sind. Es ist klar, daß ein beliebiger Ladestrom I_c, der von dem Ladegerät 14 ausgeht, keine Auswirkung auf diesen Aus gleichsvorgang hat, weil der Ladestrom im wesentlichen ganz eher durch den relativ geringen Widerstand der Zellenein heiten 11 und 12 fließen wird, als durch die Wicklungen 23 oder 24.

Der Transformator 21 hat, wie jeder reale Transformator, eine Primärinduktivität bzw. -spule, in der Energie ge speichert wird, wenn die Schalter 26 und 30 eingeschaltet sind. Wenn die Schalter ausgeschaltet sind, muß diese Ener gie abgegeben werden. Diese Energie kann, eher als daß sie in Wärme umgewandelt wird, zurückgewonnen und zurück an die Zelleneinheiten übertragen werden, wie es in Fig. 3 ge zeigt ist, die vereinfachte, äquivalente Schaltungen für die MOSFET-Schalter 26 und 30 zeigt. Der Schalter 26 hat eine effektive Drain-Source-Kapazität 26a und eine Körper diode 26b, und der Schalter 30 hat eine Drain-Source-Kapa zität 30a und eine Körperdiode 30b. Wenn die Schalter 26 und 30 eingeschaltet sind, fließt ein Strom I von der Zelle 11 oder 12, welche die höchste Spannung hat, und die in der Transformatorspule L gespeicherte Energie beträgt 1/2 LI². Wenn die Schalter 26 und 30 ausgeschaltet sind, wird diese Energie an den Kondensator 26a oder 30a übertragen, wobei die in dem Kondensator gespeicherte Energie gleich 1/2 CV² ist, wobei C die Kapazität des Kondensators und V die Spannung über dem aufgeladenen Kondensator ist. Durch die richtige Auswahl des Kerns, der Windungen und des Spaltes des Transformators 21, um eine vorgewählte Primärinduk tivität L zu erzielen, und die richtige Auswahl der Kapa zität C der Schaltvorrichtungen 26 und 30, ermöglicht der durch den Transformator und die Schaltvorrichtungen gebil dete Schwingkreis die Rückgewinnung der Schwingungsenergie, und zwar so lange, wie die Frequenz der Schaltvorrich tungen, die durch den Oszillator 34 gesteuert wird, ge ringer als 1/2π√LC ist.

Die vorliegende Erfindung kann, wie es in dem schematischen Schaltbild in Fig. 4 gezeigt ist, auf das Ausgleichen von mehr als zwei Zelleneinheiten erweitert werden. Hierbei sind, zusätzlich zu den Zelleneinheiten 11 und 12, zwei weitere Zelleneinheiten 60 und 61 in Reihe geschaltet. Ein Transformator 65 hat einen Kern 66, auf den vier Wicklungen 67, 68, 69 und 70 gewickelt sind. Beispielsweise können die Wicklungen 67 bis 70 quad-filar (z. B. Nr. 28 AWG-Draht, 28 Windungen) auf einen Kern mit einem kleinen Spalt (bei spielsweise 1408-3C8POT mit einem Spalt von 0,0001 bis 0,001 Zoll, um eine remanenzbewirkte Kernsättigung zu ver hindern) gewickelt sein. Vier Schaltvorrichtungen (bei spielsweise MTP50H06EL MOSFETs) 72-75 sind so an die Wicklungen angeschlossen, daß eine der Schaltvorrichtungen in Reihe mit einer der Wicklungen geschaltet ist. Jede Reihenschaltung von Wicklung und Schaltvorrichtung ist parallel zu einer der Zelleneinheiten geschaltet, d. h., die Wicklung 67 und die Schaltvorrichtung 72 parallel zu der Zelleneinheit 11, die Wicklung 68 und die Schaltvorrichtung 73 parallel zu der Zelleneinheit 12, die Wicklung 69 und die Schaltvorrichtung 74 parallel zu der Zelleneinheit 60, und die Wicklung 70 und Schaltvorrichtung 75 parallel zu der Zelleneinheit 61. Ein Oszillator 80 (beispielsweise ein CMOS 555-Timer) hat einen Kondensator 81 und einen Wider stand 82, die an die Stifte davon angeschlossen sind, um die Schwingungsfrequenz des Oszillators 80, beispielsweise bei 25 kHz zu wählen. Das Rechteckwellen-Ausgangssignal von dem Oszillator 80 wird in einer Leitung 84 durch einen Widerstand 85 direkt zu dem Gate der Schaltvorrichtung 75 und durch Kondensatoren 87, 88 und 89 zu den Gates der MOSFETs 74, 73 und 72 geliefert. Alternative parallele Verbindungen für die Kondensatoren 88 und 89 sind durch gestrichelte Linien in Fig. 4 gezeigt. Aus den oben be schriebenen Gründen können Widerstände und Dioden an die Gates der MOSFETs 72 bis 74 angeschlossen sein. Wenn die Schaltvorrichtungen 72 bis 75 eingeschaltet werden, wird die Spannung, die über jeder der Wicklungen 67 bis 70 auf tritt, die Spannung über der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit 11, 12, 60 oder 61 sein. Somit wird das Auf laden der zuwenig geladenen Zelleneinheiten im Verhältnis zu der Spannungsdifferenz zwischen dieser Zelleneinheit und der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit stattfinden.

Es ist vorzuziehen, daß die erfindungsgemäße Ausgleichsvor richtung nicht arbeitet, wenn keine Aufladung stattfindet, um die Lagerbeständigkeit der Batterie zu maximieren. Um die Ausgleichsvorrichtung auszuschalten, kann ein Signal in einer Leitung 90 geliefert werden, die sich zu der Basis eines bipolaren Transistors 91 erstreckt. Zwischen der po sitiven Klemme der Zelleneinheit 11 und dem Kollektor des Transistors 91 sind Widerstände 92 und 93 in Reihe geschal tet, und der Emitter des Transistors 91 ist mit einer Lei tung 94 verbunden, die an die negative Klemme der Zellen einheit 61 angeschlossen ist. Der Knotenpunkt zwischen den Widerständen 92 und 93 ist an die Basis eines weiteren bi polaren Transistors 96 angeschlossen. Wenn die an die Lei tung 90 angelegte Spannung 0 Volt beträgt, ist der Tran sistor 91, wie der Transistor 96, ausgeschaltet. Der Tran sistor 96 ist durch eine Leitung 98 an die Spannungszu führeingänge des Oszillatorchips 80 angeschlossen. Somit wird in diesem Zustand keine Energie an den Oszillator 80 geliefert, und er ist ausgeschaltet, wobei kein Steuer signal auf die Gates der MOSFETSs 72 bis 75 aufgebracht wird. Weil diese dann ausgeschaltet sind, fließt kein Aus gleichsstrom zwischen den Zelleneinheiten 11, 12, 60 und 61. Wenn das Ladegerät 14 eingeschaltet ist, wird eine hohe Spannung an die Leitung 90 angelegt, wodurch die Tran sistoren 91 und 96 eingeschaltet werden. Nun wird Energie an den Oszillatorchip 80 geliefert, so daß dieser ein Rechteckwellen-Ausgangssignal an die Gates der Schalter 72 bis 75 abgibt. Während der Transistor 91 eingeschaltet ist, wird ein relativ geringer Energiebetrag in den Widerständen 92 und 93 in Wärme umgewandelt.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aus gleichsvorrichtung, die einen Ausgleichsstromfluß in beiden Hälften des Schaltzyklus ermöglicht, ist in Fig. 5 ge zeigt. Die Ausgleichsvorrichtung in Fig. 5 verwendet im wesentlichen zwei Ausgleichsschaltungen, wie die in den Fig. 2 oder 4, von denen jede in einer anderen Hälfte des Schaltzyklus arbeitet. Die Ausgleichsvorrichtung der Fig. 5 hat einen Transformator 100 mit einem Kern 101, auf den primäre Wicklungen 102 und 103 gewickelt sind, die bi filare Wicklungen sind. Zusätzlich hat der Transformator 100 auch sekundäre Wicklungen 105 und 106, die bifilare Wicklungen sind. Vorzugsweise haben die Wicklungen 102/103 und 105/106 alle die gleiche Anzahl von Windungen (bei spielsweise 20). Ein MOSFET-Schalter 108 (beispielsweise MTP3055EL) ist in Reihe mit der Wicklung 102 parallel zu der Zelleneinheit 11 geschaltet. Die Wicklung 103 und ein MOSFET-Schalter 109 sind parallel zu der Zelleneinheit 12 geschaltet. Ein MOSFET-Schalter 111 ist in Reihe mit der Wicklung 105 parallel zu der Zelleneinheit 11 geschaltet, und ein MOSFET-Schalter 112 ist in Reihe mit der Wicklung 106 parallel zu der Zelleneinheit 12 geschaltet. Die Schal ter 108 und 109 können zusammen als die "ersten" Schalter und die Schalter 111 und 112 als die "zweiten" Schalter angesehen werden. Durch die Verwendung weiterer Wicklungen und Schalter in der in Fig. 4 gezeigten Art und Weise können weitere Zelleneinheiten ausgeglichen werden.

Ein IC-Chip 115 mit einer Hexinverter-Schmitt-Trigger- Schaltung (beispielsweise CMOS 74C14) ist mit einem Wider stand 116 und einem Kondensator 117 vorgespannt, um als Oszillator zu wirken, der ein Rechteckwellen-Signal mit einer bestimmten Frequenz, beispielsweise 30 kHz, abgibt. Einer der Ausgänge der Oszillator-Schaltung 115 ist ein "nicht-umgekehrter" Ausgang und ist an die Gates der MOSFETs 108 und 109 angeschlossen, und ein anderer Ausgang der Schaltung 115, der an eine Leitung 120 angeschlossen ist, ist der "umgekehrte" Ausgang und ist an die Gates der MOSFETs 111 und 112 angeschlossen. Die Signale in den Lei tungen 119 und 120 sind komplementär zueinander. Wenn das Signal in der Leitung 119 "hoch" ist, ist das Signal in der Leitung 120 "tief" und umgekehrt; somit sind die MOSFETs 111 und 112 ausgeschaltet, wenn die MOSFETs 108 und 109 eingeschaltet sind, und umgekehrt. Wenn die MOSFETSs 108 und 109 eingeschaltet sind, ist die Spannung an jeder der Wicklungen 102 und 103 die Spannung der stärker aufgela denen der Zelleneinheiten 11 und 12, wohingegen wenn die MOSFETs 111 und 112 eingeschaltet sind, die Spannung über jeder der Wicklungen 105 und 106 die Spannung an der stär ker aufgeladenen der Zelleneinheiten 11 und 12 ist. Somit wird Energie von der stärker aufgeladenen zu der weniger aufgeladenen Zelleneinheit übertragen, und zwar in beiden Hälften des Schaltzyklus, was einen schnelleren Ausgleich der beiden Zelleneinheiten 11 und 12 ermöglicht als mit der Ausgleichsvorrichtung aus Fig. 2. Diese Anordnung ermög licht ebenfalls eine effizientere Nutzung der B-H-Kurve des Transformatorkerns, wodurch es möglich wird, die Größe des Transformators zu reduzieren.

Mit Speisespannung wird der Oszillator 115 aus einer Lei tung 122 versorgt, die an die positive Klemme der Zellen einheit 11 angeschlossen ist, während die negative Klemme der Zelleneinheit 12 durch eine Leitung 123 an den neutra len bzw. den Erdungsstift der Schaltung 115 angeschlossen ist. Um eine Steuerung des Betriebs der Ausgleichsvor richtung zu ermöglichen, kann ein normalerweise geöffneter Relais-Schalter 126 in die Leitung 122 eingebaut sein, der durch eine Relais-Spule 127 bzw. 129 betätigt wird, die in die Leitung 15 von dem Ladegerät 14 eingebaut ist. Wenn von dem Ladegerät 14 Strom in der Leitung 15 fließt, wodurch die Spule 129 zu erregt wird, wird der Schalter 126 ge schlossen, wobei Energie an den Oszillator-IC 115 geliefert wird, wodurch das Schalten der MOSFETs 108, 109, 111 und 112 beginnt. Wenn das Ladegerät ausgeschaltet ist, und kein Strom durch die Spule 129 fließt, wird der Schalter 126 ge öffnet, so daß alle der MOSFET-Schalter ausgeschaltet wer den, und von der Ausgleichsschaltung keine Energie aufge nommen wird.

Es ist zu verstehen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beispielhaft vorgestellten besonderen Aus führungsformen beschränkt ist, sondern sämtliche Abwand lungen einschließt, die im Schutzumfang der folgenden Ansprüche enthalten sind.

Claims

1. Ausgleichsvorrichtung zum Ausgleichen der Aufladung in zwei oder mehr in Reihe geschalteten Zelleneinheiten, mit:

(a) einem Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen auf einem Kern aufweist, die der Anzahl der Zelleneinheiten entspricht, wobei jede der Wicklungen die gleiche Anzahl Windungen aufweist, und die Wick lungen eng miteinander gekoppelt sind;
(b) einer steuerbaren Schaltvorrichtung, die in Reihe mit jeder Wicklung geschaltet ist, wobei jede Reihenschaltung von Schaltvorrichtung und Wicklung parallel zu einer der Zelleneinheiten schaltbar ist; und
(c) einem Oszillator, der an die Schaltvorrich tungen angeschlossen ist, um ein Steuersignal an jede Schaltvorrichtung zu liefern, um jede der Schaltvor richtungen mit einer hohen Schaltfrequenz gleichzeitig ein- und auszuschalten, wodurch die Spannung über jeder Wicklung des Transformators die Spannung der Zelleneinheit mit der höchsten Spannung ist, so daß Energie von der am stärksten aufgeladenen Zellenein heit an eine mit geringerer Aufladung übertragen wird.

2. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schaltvorrichtungen Leistungs-MOSFETs mit Gates sind, und bei der der Oszillator so angeschlossen ist, daß er das Steuersignal an die Gates liefert, um die MOSFETs gleichzeitig ein- bzw. auszuschalten.

3. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Oszillator ein Rechteckwellen-Ausgangssignal an die Gates der MOSFETs liefert.

4. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Wicklungen des Transformators eine Induktivität auf weisen und jeder MOSFET eine Drain-Source-Kapazität aufweist, die einen Schwingkreis mit den Wicklungen, an die der MOSFET angeschlossen ist, bildet, und bei der der Oszillator ein Steuersignal mit einer Schalt frequenz liefert, die geringer ist als eine Resonanz frequenz des Schwingkreises.

5. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schaltvorrichtungen erste Schaltvorrichtungen sind, und bei der der Transformator eine zweite Wicklung für jede Zelleneinheit mit einer zweiten Schaltvorrichtung für jede Zelleneinheit aufweist, die in Reihe mit jeder zweiten Wicklung geschaltet ist, wobei jede der artige zweite Wicklung und Schaltvorrichtung parallel zu einer der Zelleneinheit geschaltet sind, wobei jede der zweiten Wicklungen die gleiche Anzahl von Windun gen aufweist und die zweiten Wicklungen eng aneinander gekoppelt sind, und wobei der Oszillator an die zwei ten Schaltvorrichtungen angeschlossen ist, um Steuer signale an diese zu liefern, um jede der zweiten Schaltvorrichtungen auszuschalten, wenn die ersten Schaltvorrichtungen eingeschaltet sind, und um jede der zweiten Schaltvorrichtungen einzuschalten, wenn die ersten Schaltvorrichtungen ausgeschaltet sind.

6. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 5, bei dem die ersten und zweiten Schaltvorrichtungen Leistungs- MOSFETs mit Gates sind, und bei der der Oszillator ein nicht-umgekehrtes Ausgangssignal und ein umgekehrtes Ausgangssignal liefert, welche das Komplement des nicht-umgekehrten Ausgangssignal ist, wobei das nicht umgekehrte Ausgangssignal an die Gates des ersten MOSFETs und das umgekehrte Ausgangssignal an die Gates des zweiten MOSFETs geliefert wird.

7. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die nicht-umgekehrten und die umgekehrten Ausgangssignale des Oszillators Rechteckwellen sind.

8. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Oszillator mit einer Schaltfrequenz schaltet, die oberhalb einer hörbaren Frequenz liegt.

9. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Ein richtung zum Ausschalten des Oszillators, wenn durch ein Batterieladegerät kein Strom an die Zellenein heiten geliefert wird, so daß die Schaltvorrichtungen ausgeschaltet werden, und zum Einschalten des Oszilla tors und der Schaltvorrichtungen, wenn von einem Batterieladegerät Strom an die Zelleneinheiten gelie fert wird.

10. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 9, die mit einem Batterieladegerät zusammengeschaltet ist, um Ladestrom an die Reihenschaltung der Zelleneinheiten zu liefern.

11. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Wicklungen des Transformators multifilare Wicklungen sind, die zusammen auf dem Kern des Transformators gewickelt sind und zwar im wesentlichen ohne Lücke.

12. Verfahren zum Ausgleichen der Aufladung in zwei oder mehr in Reihe geschalteten Zelleneinheiten, mit den Schritten:

(a) es wird ein Transformator mit einer Vielzahl von Wicklungen auf einem Kern bereitgestellt, die der Anzahl der Zelleneinheiten entspricht, wobei jede der Wicklungen die gleiche Anzahl Windungen aufweist, und die Wicklungen eng miteinander gekoppelt sind;
(b) jede der Wicklungen wird für einen bestimmten Zeitraum so mit einer der Zelleneinheiten elektrisch verbunden, daß die Spannung an der am stärksten auf geladenen Zelleneinheit über jede der Wicklungen auf tritt, um Energie von der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit an eine geringer aufgeladene Zellen einheit zu liefern, und dann werden die Wicklungen gleichzeitig von den Zelleneinheiten getrennt, und die Schritte Verbinden und Trennen der Wicklungen von den Zelleneinheiten werden mit einer gewählten Frequenz wiederholt, wodurch die Aufladung der Zelleneinheiten ausgeglichen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt Ver binden und Trennen der Wicklungen mit bzw. von den Zelleneinheiten mit einer Frequenz durchgeführt wird, die oberhalb einer hörbaren Frequenz liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, mit dem zusätzlichen Schritt des Lieferns von Ladestrom durch die in Reihe geschalteten Zelleneinheiten.

15. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt Ver binden und Trennen der Wicklungen nur durchgeführt wird, wenn von einem Batterieladegerät Strom an die Zelleneinheiten geliefert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Transformator zwei Wicklungen für jede Zelleneinheit aufweist, wobei die zwei Wicklungen für jede Zelleneinheit mit einer solchen Zelleneinheit parallel geschaltet sind, wobei die beiden Wicklungen für jede Zelleneinheit eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung umfassen, wobei jede der ersten Wicklungen die gleiche Anzahl von Windungen aufweist, und die Wicklungen eng an einander gekoppelt sind, und bei dem der zweiten Wicklungen die gleiche Anzahl von Windungen aufweist und die Wicklungen eng aneinander gekoppelt sind, und bei dem der Schritt des gleichzeitigen elektrischen Verbindens und Trennens abwechselnd für die ersten Wicklungen und dann die zweiten Wicklungen durch geführt wird.

17. Ausgleichsvorrichtung zum Ausgleichen der Aufladung in zwei oder mehr in Reihe geschalteten Zelleneinheiten, mit:

(a) einem Transformator mit ersten und zweiten Wicklungen auf einem Kern, wobei die Anzahl der ersten und zweiten Wicklungen der Anzahl der Zelleneinheiten entspricht, wobei jede der ersten Wicklungen die glei che Anzahl von Windungen aufweist, und die Wicklungen eng aneinander gekoppelt sind, und jede der zweiten Wicklungen die gleiche Anzahl von Windungen aufweist, und die Wicklungen eng aneinander gekoppelt sind;
(b) einer ersten steuerbaren Schaltvorrichtung, die in Reihe mit jeder ersten Wicklung geschaltet ist, und einer zweiten steuerbaren Schaltvorrichtung, die in Reihe mit jeder zweiten Wicklung geschaltet ist, wobei jede Reihenschaltung einer ersten Schaltvor richtung und einer ersten Wicklung parallel zu einer Reihenschaltung einer zweiten Schaltvorrichtung und einer zweiten Wicklung parallel zu einer der Zellen einheiten schaltbar ist; und
(c) einem Oszillator, der an die Schaltvor richtungen angeschlossen ist, um ein Steuersignal an jede Schaltvorrichtung zu liefern, um jede der ersten Schaltvorrichtungen gleichzeitig ein und auszuschalten und um jede der zweiten Schaltvorrichtungen gleich zeitig ein- und auszuschalten, und zwar bei einer hohen Schaltfrequenz, wobei die zweiten Schaltvorrich tungen ausgeschaltet sind, wenn die ersten Schaltvor richtungen eingeschaltet sind, und die zweiten Schalt vorrichtungen eingeschaltet sind, wenn die ersten Schaltvorrichtungen ausgeschaltet sind, wodurch die Spannung über jeder Wicklung des Transformators die Spannung der Zelleneinheit mit der höchsten Spannung ist, so daß Energie von der am stärksten aufgeladenen Zelleneinheit zu einer geringer aufgeladenen Zellen einheit übertragen wird.

18. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 17, bei der die ersten und zweiten Schaltvorrichtungen Leistungs- MOSFETs mit Gates sind, und bei der der Oszillator ein nicht-umgekehrtes Ausgangssignal und ein umgekehrtes Ausgangssignal liefert, welches das Komplement des nicht-umgekehrten Ausgangssignal ist, wobei das nicht umgekehrte Ausgangssignal an die Gates des ersten MOSFETs und das umgekehrte Ausgangssignal an die Gates des zweiten MOSFETs geliefert wird.

19. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die nicht-umgekehrten und umgekehrten Ausgangssignale des Oszillators Rechteckwellen sind.

20. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Wicklungen des Transformators eine Induktivität auf weisen und jeder MOSFET eine Drain-Source-Kapazität aufweist, die einen Schwingkreis mit den Wicklungen, an die der MOSFET angeschlossen ist, bildet, und bei der der Oszillator ein Steuersignal mit einer Schalt frequenz liefert, die geringer als eine Resonanzfre quenz des Schwingkreises ist.

21. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Oszillator mit einer Schaltfrequenz schaltet, die oberhalb einer hörbaren Frequenz liegt.

22. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Ein richtung zum Ausschalten des Oszillators, wenn durch ein Batterieladegerät kein Strom an die Zellenein heiten geliefert wird, so daß die Schaltvorrichtungen ausgeschaltet werden, und zum Einschalten des Oszilla tors und der Schaltvorrichtungen, wenn von einem Batterieladegerät Strom an die Zelleneinheiten gelie fert wird.

23. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 22, die mit einem Batterieladegerät zusammengeschlossen ist, um Lade strom an die Reihenschaltung von Zelleneinheiten zu liefern.

24. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 17, bei der die ersten Wicklungen auf dem Transformator multifilare Wicklungen sind, und bei der die zweiten Wicklungen multifilare Wicklungen sind, und bei der die multi filaren Wicklungen zusammen auf den Kern des Transfor mators gewickelt sind, und zwar im wesentlichen ohne Lücke.