DE60221390T2

DE60221390T2 - Schaltung zur zellen-stromüberwachung einer mehrzelligen batterie während der batterieladung

Info

Publication number: DE60221390T2
Application number: DE60221390T
Authority: DE
Inventors: Richard B. Huykman; Harmohan Rockaway SINGH
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2022-05-22
Also published as: CN1533627A; WO2002095897A3; CA2448463A1; EP1396063B1; JP3971707B2; KR20040007628A; EP1396063A2; US6417646B1; WO2002095897A2; ATE368319T1; US20020175655A1; JP2004527995A; DE60221390D1

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Überwachung der Spannung und des Stroms von individuellen Zellen einer mehrzelligen Batterie während des Ladens und zum Umleiten von Ladestrom über einen voreingestellten Wert, der variiert werden kann.
Allgemeiner Stand der Technik
Mehrzellige wiederaufladbare Batterien wie etwa jene vom Lithium-Ionen-Typ werden oftmals in Einsatzsteueranwendungen wie etwa unterbrechungsfreien Stromversorgungen und verschiedenen militärischen Anwendungen verwendet. Die Ausgangsspannung solcher Batterien hängt von der in Reihe geschalteten Anzahl von Zellen und der jeweiligen für die Zellen ausgewählten Chemie ab. Bei einigen Anwendungen kann eine ausreichende Anzahl von Zellen verbunden werden, um Spannungen von bis zu 400 V zu erzielen.
Wenn eine mehrzellige Batterie geladen oder entladen wird, ist eine Stromquelle an alle in Reihe geschalteten Zellen angeschlossen. Während das Laden stattfindet, reagieren individuelle Zellen möglicherweise unterschiedlich auf den Ladestrom. Insbesondere wird erwünscht, daß eine Zelle nicht überladen wird, da dies die Zelle und vielleicht sogar die Batterie beschädigen würde.
Es sind verschiedene Schaltungen verwendet worden, um überschüssigen Strom umzuleiten, damit er eine individuelle Zelle während eines Ladezyklus nicht erreicht, so daß sie nicht beschädigt wird, wie in dem Dokument EP 0 831 571 gezeigt. Es ist außerdem wünschenswert, den Gesundheitszustand jeder der individuellen Batteriezellen und der zusammengesetzten Batterie zu überwachen. Dies beinhaltet das Bestimmen solcher Parameter wie etwa den Innenwiderstand, den Polarisationswiderstand und die restliche Kapazität jeder Zelle der Batterie als einen Prozentsatz der in Amperestunden gemessenen ursprünglichen Kapazität, oftmals als der Ladezustand (LZ) bezeichnet.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung, die individuelle Zelle einer mehrzelligen Batterie überwachen und vor Überladung schützen und Datenparameter erfassen kann, die zum Bestimmen verschiedener Charakteristiken des Gesundheitszustands der Zelle verwendet werden.
Die Schaltung gemäß der Erfindung ist beim Laden der Batterie mit jeder individuellen Zelle einer zu überwachenden mehrzelligen Batterie verbunden. Die Schaltung enthält einen Abschnitt zum Umleiten von Ladestrom von der Zelle, wobei dieser Abschnitt auf variable Weise im voraus eingestellt werden kann, um Strom über einer gewünschten hohen Spannungsgrenze für die Zelle umzuleiten. Beim Laden der Batterie wird Strom von der Bypassschaltung um eine Zelle herum kurzgeschlossen, wenn der voreingestellte Spannungspegel überschritten wird, wodurch jede Beschädigung der Zelle verhindert wird.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Schaltung betrieben werden, um einen Puls Entladestrom zu erzeugen. Wenn dies geschehen ist, kann anhand der Änderung der Spannung der überwachten Zelle als Reaktion auf die Stromänderung, dV/dI, der Innenwiderstand der Zelle bestimmt werden. Der Polarisationswiderstand der Zelle kann ebenfalls durch Erweitern des Ladeimpulses bestimmt werden. Anhand der erfaßten Daten können Faktoren bestimmt werden hinsichtlich des Ladezustands (LZ) einer Zelle und ihres Gesundheitszustands.
Aufgaben der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Schaltung zum Überwachen aller individuellen Zellen einer mehrzelligen Batterie während ihres Betriebs.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Schaltung zum Überwachen einer individuellen Zelle einer mehrzelligen Batterie während des Ladens und in dem Herumleiten von Ladestrom, wenn während des Ladens der Batterie eine im voraus eingestellte Obergrenze der Zelle überschritten wird, wobei gleichzeitig das Laden der anderen Zellen gestattet wird, die nicht die voreingestellte Spannungsgrenze erreicht haben.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Überwachungsschaltung für individuelle Zellen einer mehrzelligen Batterie, bei der, während eine Zelle zu einem Batteriepack hinzugefügt wird, eine Überwachungsschaltung für die Zelle ebenfalls auf modulare Weise hinzugefügt und an einem Controller auf modulare Weise gekoppelt wird.
Noch eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Schaltung zum Überwachen individueller Zellen einer mehrzelligen Batterie, die betrieben werden kann, um Daten einer Zelle zu erfassen, die ihren Gesundheitszustand und ihren Ladezustand anzeigen.
Noch eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Überwachungsschaltung für jede Zelle einer mehrzelligen Batterie, die die Zelle vor überladen schützt durch Herumleiten von Strom, nachdem die Zelle auf eine im voraus eingestellte obere Spannungsgrenze geladen ist, und die betrieben werden kann, Daten zu erfassen, anhand derer der Ladezustand und Gesundheitszustand der Zelle bestimmt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Spezifikation und beigefügte Zeichnung offensichtlicher. Es zeigt:
1 ein Schemadiagramm einer Schaltung gemäß der Erfindung zum Überwachen einer Zelle einer mehrzelligen Batterie, während sie geladen wird, und zum Umleiten von Strom über einem vorbestimmten Pegel.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 1 sind auf der linken Seite die individuellen Zellen 12-1 ... 12-n einer Batterie 10 eines Batteriepacks gezeigt. Die Zellen 12 sind in Reihe zwischen eine Stromladequelle I geschaltet, die sich außerhalb des Batteriepacks befinden kann und die beispielsweise ein Sonnenzellenarray sein kann, und ein Punkt von Referenzpotential wie etwa Masse 14. Es sind so viele der Zellen 12 in Reihe geschaltet, wie benötigt werden, um die Batterie auszubilden, die eine gewünschte Ausgangsspannung haben soll.
Die Erfindung wird veranschaulichend bezüglich einer Batterie vom Lithium-Ionen-Typ beschrieben. Sie läßt sich jedoch auf andere Arten wiederaufladbarer Batterien anwenden, wie etwa Blei-Säure- und Nickel-Cadmium-Batterien. Bei solchen Batterien werden Zellen in Serie addiert, um eine Batterie mit einer spezifizierten Ausgangsspannung zu erhalten. Als Beispiel: die durchschnittliche Lithiumzellenspannung beträgt 3,5 V, so daß acht in Reihe geschaltete Zellen eine 28 V-Batterie ergeben. Eine 28 V-Batterie könnte eine hohe Wertgrenze von 36 V und eine Entladespannung von 20 Volt aufweisen. Batterien wie etwa vom Lithium-Ionen-Typ erfordern sorgfältige Überwachung und Steuerung der Spannung jeder der Zellen auf eine gewisse obere Spannungsgrenze und eine gewisse untere Spannungsgrenze. Somit muß jede individuelle Zelle 12 der Batterie während des Ladens überwacht werden, um ihre Spannung zu messen. Außerdem sind wie unten beschrieben auch der Ladezustand und der Gesundheitszustand jeder Zelle zu bestimmen.
1 sind die Eingangsleitungen 16 und 18 einer Überwachungsschaltung M veranschaulichend an die Anschlüsse der positiven und negativen Elektroden einer Zelle, als Veranschaulichung 12-3, der Batterie angeschlossen gezeigt. Es gibt eine separate Überwachungsschaltung M für jede Zelle, und es wird nur eine derartige Schaltung beschrieben, da sie alle gleich sind. Die Zellen 12 der Batterie 10 und der Schaltung M sind bevorzugt in ein Batteriepack gepackt. Wenn der Batteriepack mit mehr Zellen erweitert wird, werden entsprechend zusätzliche Schaltungen M vorgesehen. Eine Zellüberwachungsschaltung M wird von den Zellen 12 selbst bestromt. Die Schaltung M ist so ausgelegt, daß sie so wenig Energie wie möglich verbraucht, um die Leistung der Batterie 10 einzusparen.
Der Betrieb einer Schaltung M wird von einem veranschaulichend durch Block C gezeigten Controller gesteuert. Der Controller C kann einprogrammierbarer oder vorprogrammierter Mikroprozessor sein und weist analoge Ausgänge zu und Eingänge von der Schaltung M auf, wie unten beschrieben. Der Controller C ist in das Batteriepack mit den Überwachungsschaltungen M integriert. Der Controller C ist mit jeder der Schaltungen M gekoppelt, um verschiedene Arbeitspunkte zu setzen, Lade- und Entladestrom zu überwachen, Temperatur zu messen, Informationen an die externe Ladegerätsquelle zu liefern und die Batteriepackschalter zu steuern, um abzuschalten und gegenüber übermäßiger Ladung oder Entladung zu schützen. Der Controller C weist eine serielle Schnittstelle zum Kommunizieren mit einem allgemein als H gezeigten Hostcomputer auf. Der Controller kann die erforderlichen ADU- und DAU-Umsetzer zum Koppeln mit der überwachungsschaltung M aufweisen. Der Controller C verwendet die ADU- und DAU-Umsetzer hauptsächlich zum Koppeln an die Überwachungsschaltung M. Es kann auch ein analoger Ausgang von einem DAU vorgesehen sein, um den Batterieladegerätsstrom zu steuern. Bevorzugt erfolgen alle Kommunikationen außerhalb der Batterie zu dem Hostcomputer H über die serielle Schnittstelle. Es ist auch möglich, daß das Batterieladegerät die serielle Schnittstelle anstatt des DAU-Ausgangs verwendet.
Bei einer typischen Anwendung verläßt sich der Hostcomputer auf die Batterie und steuert alle Systemkomponenten unter Verwendung der Batterie. Der Hostcomputer wird mit Informationen derart programmiert, daß er Lasten abwerfen oder andere Entscheidungen dahingehend treffen kann, wie die verbleibende gespeicherte Energie in der Batterie 10 am besten genutzt wird. Beispielsweise kann sich das Batteriepack mit dem Controller C in einem Satelliten befinden, und bei der ladenden Stromquelle I kann es sich um Solarzellen handeln. Der Hostcomputer wäre der primäre Bordcomputer, der für alle Satellitenressourcen zuständig ist. Der Hostcomputer H kann weitere Daten an den Controller C schicken, um verschiedene Arbeitsmodi der Batterie 10 zu nutzen. Im allgemeinen weisen Satelliten und andere Raumfahrzeuge ihre eigenen Zentralcomputer auf. Es wird angenommen, daß der Controller C in der Batterie die überlegene Kenntnis der Batterie besitzt. Er liefert Informationen an den Hostcomputer H des Satelliten oder anderen Fahrzeugs. Bei einer typischen Anwendung, beispielsweise wenn der Hostcomputer die verbleibende Lebensdauer des Einsatzes spezifiziert und die meiste Leistung möchte unter Opferung der nicht benötigten Batterielebensdauer, bestimmt der Controller C, wie dieses Ziel erreicht werden soll. Bei einer Satellitenanwendung würde das Satellitenbodensteuersystem in der Regel nicht den Batteriebetrieb steuern. Zu einem derartigen detaillierten Betrieb würde es nur unter extremen Notmaßnahmen kommen. Natürlich kann die Anmeldung eine sein, bei der das Batteriepack von einer herkömmlichen Stromquelle am Boden geladen wird und der Hostcomputer und der Controller fest miteinander verdrahtet sind.
Die Leitungen 16 und 18 an der von der Schaltung M überwachten Zelle 12-3 sind mit den oberen und unteren Enden eines durch die Widerstände R1 und R2 ausgebildeten Widerstandsteilers angeschlossen. Dieser teilt die Spannung der überwachten Zelle 12-3 herunter für eine Eingabe von der Verbindung der beiden Widerstände mit dem nichtinvertierenden (+) Eingang eines Operationsverstärkers A2. Die Widerstände R1 und R2 sind bevorzugt von hoher Präzision wie etwa 0,01%. Der Verstärker A2 erhält als seine Stromeingaben seine negative Rail-Spannung von dem negativen Anschluß der überwachten Zelle über Leitung 18. und seine positive Spannung von dem positiven Anschluß der Zelle über Leitung 16. Der Operationsverstärker A2 weist bevorzugt eine hohe Gleichstromverstärkung und eine geringe Bandbreite auf. Der Eingangsspannungsbereich für den Verstärker A2 enthält die negative Versorgungsreferenz für den Verstärker. Für eine Lithium-Ionen-Batterie beträgt der Zellspannungsbereich je nach dem Ladezustand (LZ) der Zelle von 2,5 V bis 4,5 V. Die Bandbreite des Verstärkers A2 wird durch das Rückkopplungssignal bestimmt, das zwischen seinem Ausgangsanschluß und dem invertierten Eingangsanschluß (-) des Verstärkers von einem Netz aus einem parallel geschalteten Widerstand R3 und Kondensator C1 geliefert wird.
Die Arbeitsspannungen werden für den Verstärker A2 derart gewählt, daß der Verstärker für Spannungen unter einer vorbestimmten Spannung von der überwachten Zelle blockiert wird, wobei diese bei dem beschriebenen Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie etwa 3,5 V beträgt. Dies minimiert die Stromentnahme durch den Verstärker A2. Wie unten beschrieben, wird die Bypass-Schaltungsanordnung wegen des Merkmals, in der Lage zu sein den Verstärker A2 zu blockieren, bei niedrigen Spannungen der überwachten Zelle nicht versehentlich eingeschaltet. Die Bypass-Schaltung wird nur benötigt, um Strom über einem spezifizierten Spannungsbereich der überwachten Zelle kurzzuschließen, beispielsweise zwischen 3,5 V und 4,5 V für die veranschaulichende Lithium-Ionen-Zelle.
Der Ausgang von A2 ist durch einen Widerstand R4 mit der Basis eines Darlington-Transistors Q1 verbunden, der als ein Verstärker in Emitterschaltung konfiguriert ist. Der Collector von Q1 ist durch einen Widerstand R5 mit dem Plusanschluß der überwachten Zelle über Leitung 16 verbunden. Der Widerstand R5 dient mehreren Zwecken. Zuerst wirkt R5 als eine Last zum Abführen des herumgeleiteten Stroms, anstatt daß Q1 allen herumgeleiteten Strom abführen muß. Zweitens dient R5 wie unten beschrieben als ein Präzisionsstromnebenschlußwiderstand, um das Ausmaß des herumgeleiteten Stroms zu messen. Der Wert von R5 ist so gewählt, daß der Bypassstrom eine sichere Obergrenze nicht übersteigen kann. Bei einer typischen Anwendung ist die Obergrenze des Bypassstroms als 0,1 C gewählt (10% des maximalen Ladestroms). Die Obergrenze kann sich für verschiedene Arten von Zellen unter verschiedenen Bedingungen ändern. Außerdem kann die größte erwartete Obergrenze durch den Wert von R5 gesetzt werden, und die Untergrenzen können von dem Controller-C-Programm gesteuert werden.
Ein Verstärker A1 weist einen Signaleingang V-By an seinem nichtinvertierenden Eingang (+) auf. Der Eingang V-By ist ein Differentialsignal variabler vorbestimmter Größe von einer externen Steuerelektronik im Controller C, das zur Logikmasse der Controller-C-Elektronik referenziert ist. Der invertierte (-) Signaleingang des Verstärkers A1 ist am Punkt 25 mit der Monitorschaltungslogikmasse verbunden. Die Spannung V-By wird von der Steuerelektronik so gesetzt, daß die hohe Spannungsgrenze spezifiziert wird, auf der jede der Zellen 12 gesetzt wird. Der Verstärker A1 ist bevorzugt ein Präzisionsdifferenzverstärker mit großem Gleichtakt und einem Verstärkungsfaktor von 1 und wird von den Zellen 12 bestromt. Zur Bereitstellung des erforderlichen Dynamikbereichs wird der Verstärker A1 an seinen Stromeingängen über Leitungen 23 und 24 von zwei Zellspannungen über und zweite Spannungen unter der Zelle bestromt, die er überwacht. Für eine Überwachungsschaltung an der oberen Zelle des Stapels würde ein Spannungsumsetzer hinzugefügt werden, um eine verstärkte Spannung zu erzeugen, da keine Zellen übrig sind, aus denen die höhere Spannung erhalten werden könnte. Für die ersten beiden Zellen bei Masse 14 ist der negative Stromversorgungsanschluß des Verstärkers A1 mit der Minus-Stromversorgung (NISV) wie etwa 15 Volt einer nicht gezeigten externen Spannungsquelle verbunden, da keine zwei Zelle-untere-Spannungen am Boden des Stapels vorliegen.
Der Verstärker A1 weist einen Differentialausgang auf, dessen negative Referenz VOL mit Leitung 18 verbunden ist, wobei der Minusanschluß der Zelle überwacht wird. Der andere Ausgang VOH von A1 ist mit den invertierten (-) Signaleingang des Verstärkers 2 verbunden. Der Verstärker A1 wandelt die Bypass-Sollpunktspannung V-By von der Controller-C-Massereferenz in die Referenz der überwachten Zelle um. Diese Gleichtakt-Differenzspannung kann in einer Lithium-Ionen-Batterie bis zu 400 V betragen.
Verstärker A2 vergleicht die Spannung der überwachten Zelle 12-3 bei Skalierung durch den Teiler R1-R2 und abgegriffen von dem Verbindungspunkt des Teilers R1-R2, angelegt an dem nichtinvertierenden (+) Eingang von A2 mit der voreingestellten hochpegeligen Sollpunktspannung V-By vom Verstärker A1 angelegt als VOH an dem invertierenden Eingang (-). Wenn die V-By-Grenze von der gemessenen Zellspannung überschritten wird, dann erzeugt A2 ein Signal, das den Q1-Bypasstransistor durchschaltet. Wenn der Transistor Q1 durchgeschaltet ist, wird die Zelladespannung über Leitungen 16 und 18 durch Q1 und durch den Stromnebenschlußwiderstand R5 um die überwachte Zelle 12-3 herumgeleitet. Der Bypassstrom ist mit I Bypass bezeichnet. Dies macht effektiv eine Präzisions-harte Spannungsgrenze auf der Spannung der überwachten Zelle 12-3.
Es sei angemerkt, daß V-By justiert und von außerhalb der Schaltung M durch den Controller C gesetzt werden kann. Dies kann durch den Hostcomputer erfolgen. Somit kann der Sollpunkt programmiert und variiert werden. Ein variabler Sollpunkt, als Beispiel, wie durch den Hauptcomputer eines Satelliten gesetzt, gestattet die Wahl höherer Spannungen für Zellen. Wenngleich dies die Batterielebensdauer verkürzt, kann es ein vernünftiger Kompromiß sein, wenn die Nutzlebensdauer eines Einsatzes sowieso erzielt wird.
Als weiteres Beispiel kann das Laden der Batterie 10 durch Solarzellen für verschiedene Satellitenumlaufbahnen es wünschenswert machen, verschiedene Volladegrenzen zu verwenden, um für die Dunkelzeit von Solarzellen zu kompensieren, wenn sie die Sonne nicht sehen können. Indem der variable Sollpunkt vorgesehen wird, gestattet dies, solche Kompromisse dynamisch durch den abgesetzten Hostcomputer zu steuern.
Der Strombypasswiderstand R5 ist ein Präzisionswiderstand, der den umgeleiteten Strom I Bypass in eine Spannung umwandelt. Die Spannung am maximalen positiven Spannungsende von R5 wird an den nichtinvertierten (+) Eingang eines Verstärkers A3 angelegt, und das untere Spannungsende von R5 wird an den invertierten (-) Eingang von A3 angelegt. Der Verstärker A3 ist bevorzugt ein Hochpräzisions-Differenzverstärker mit großem Gleichtakt und einem Verstärkungsfaktor von 1. Der Verstärker A3 läuft von einer nicht gezeigten externen Spannungsquelle, beispielsweise plus und minus 15 Volt, referenziert auf die Controllerschaltungsanordnungsmasse. Die Spannungsausgabe IBP des Verstärkers A3 ist ein Maß für den Bypassstrom I Bypass. Das heißt, der Verstärker A3 wandelt die Strommessung von I Bypass von dem Zellreferenzspannungspegel um und referenziert sie auf die Controller-C-Logikmasse zur Verwendung durch den Controller C und/oder den Hostcomputer.
Wie angegeben setzt der Controller C den Wert des Ladestroms I. Der Ladestrom I der Batterie 10 ist auf einem Wert hinsichtlich einer Spannung eines Werts, der dem Controller c bekannt ist. Die Controllerelektronik, beispielsweise sein Mikrocomputer, subtrahiert den Strom, der von Q1 umgeleitet wird, dargestellt durch die A3-IBP-Ausgangsspannung, von dem dem Controller bekannten Batterieladestrom I, um den Nettostrom zu bestimmen, der die überwachte Zelle 12-3 lädt. Der Controller C arbeitet dahingehend, den Ladestrom I herabzusetzen, wenn I Bypass größer wird als eine spezifizierte Größe, nach Bestimmung durch einen Steueralgorithmus für die Batteriezellchemie. Der Steueralgorithmus ist in dem Controller C programmiert.
Wie erläutert mißt die Zellüberwachungsschaltung M die Zellspannung und einen etwaigen, während des Ladens umgeleiteten Strom. Wenn eine Zelle überladen wird, wird Strom umgeleitet, um zu verhindern, daß die Zellspannung über eine voreingestellte hohe Spannungsgrenze ansteigt. Bevorzugt liegt ein Ladesteueralgorithmus in dem Controller vor, der dem Ladegerät sagt, wann der Ladestrom reduziert werden soll, so daß es unnötig wird, daß die Bypassschaltung einen Teil des Ladestroms vergeudet. Die Details des Ladealgorithmus sind nicht der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung, die sich mit der Schnittstellenschaltung zu dem Batteriepack beschäftigt.
Bei einem Verstärker A4, der bevorzugt ein Präzisionsverstärkungsdifferenzverstärker mit großem Gleichtakt und einem Verstärkungsfaktor von 1 ist, sind sein nichtinvertierender (-) und invertierender (+) Eingang mit den Leitungen 16 und 18 der überwachten Zelle 12-3 verbunden. Der Verstärker A4 arbeitet ebenfalls von der nicht gezeigten externen Spannungsquelle aus, zum Beispiel plus (PISV) und minus (NISV) 15 Volt, bezogen auf die Logikschaltungsanordnungsmasse des Controllers C. Der Verstärker A4 ist bevorzugt ein sehr stabiler und hoch präziser Verstärker, wobei (0,02%) erzielbar sind. Er wandelt die Spannung der lokalen Zelle 12-3 in ein massebezogenes Signal zur Messung durch den Controller um. Der Controller erzeugt anhand der Ausgangsspannung von A4 Daten, anhand derer verschiedene Charakteristiken des Ladezustands und des Gesundheitszustands der Zelle bestimmt werden. Nicht gezeigt ist der Temperatursensor für die Zelle. Der Ladezustand wird für die Temperatur der Zelle kompensiert.
Im allgemeinen wird der Ladezustand einer Zelle 12 als ein Prozentsatz ihrer vollen Ladung dargestellt. Zu einer vollen Ladung kommt es, wenn sich die Batteriezelle an ihrer oberen Spannungsgrenze befindet, 100% der vollen Ladung, das heißt 100% LZ. Beispielsweise tritt eine volle Entladung oder 0% LZ an der unteren zulässigen Spannung für eine Zelle auf. Wenn sich die Zellspannung in der Mitte zwischen diesen beiden Spannungsgrenzen befindet, ist sie auf 50% LZ.
Ein Optokoppler Q2 ist an R1 angeschlossen, und ein Optokoppler Q3 ist an R2 angeschlossen. Der Leitungszustand jedes von Q2 und Q3 wird durch Steuerlogiksignale S1 und S2 von dem Controller C bestimmt, welche Signale jeweilige LEDs L1 und L2 steuern. Wenngleich in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Optokoppler gezeigt sind, versteht sich, daß eine beliebige andere herkömmliche Art von Schaltanordnung verwendet werden kann, beispielsweise ein Transistor, der von einem direkten Signal angesteuert wird. Wenn der Optokoppler Q2 bevorzugt für eine kurze Zeit von einem impulsartigen Signal S1 vom Controller eingeschaltet wird, wird die LED L1 bestromt, um Licht zu emittieren. Als Reaktion auf das Licht von L1 leitet der Optokoppler 2 und schließt R1 kurz. Dies bewirkt, daß ein positiv gehendes Signal an den nichtinvertierenden (+) Eingang von A2 angelegt wird, das am Ausgang von A2 ein Signal erzeugt, das Q1 auf einen maximal zulässigen Wert für I Bypass einschaltet. Der Impuls des Stroms von Q1 erscheint an R5 und wird an A3 angelegt, um eine Spannungsimpulsausgabe von IBP von A3 zu erzeugen, die an den Controller C angelegt wird.
Der Impuls des Stroms in R5 bewirkt auch einen Abfall bei der Spannung der überwachten Zelle 12-3. Dieser Abfall erscheint auf den Leitungen 16 und 18, die die Eingänge zum Verstärker A4 sind. Die Ausgabe von A4 ist die Spannung VCP. Die Spannungen an den Ausgängen von A3 und A4 werden an den Controller C angelegt und zum Bestimmen des Innenwiderstands der Zelle verwendet. Der Innenwiderstand (IR) der Zelle wird als Reaktion auf den Spannungsimpuls S1 von Q1 durch dV (Ausgabe von A4) dividiert durch dI (Ausgabe von A3) bestimmt. Der Controller C ist programmiert, IR zu berechnen, oder er sendet die Daten dafür an den Hostcomputer.
Der Zellpolarisationswiderstand (PR) kann bestimmt werden, indem die Länge des Stromimpulses erweitert wird, das heißt die Dauer des Lichtimpulses von LED 1. Der Stromimpuls wird für eine Zeitlänge derart erweitert, daß der Zell-IR auf einen höheren Wert ansteigt. Der Stromimpuls wird beendet, nachdem sich der Innenwiderstand der Zelle auf dem neuen höheren Wert des Widerstands stabilisiert hat. Der Endwert des Widerstands minus dem Anfangswert des Widerstands bestimmt den Polarisationswiderstand. Auch hier ist der Controller C programmiert, PR zu berechnen, oder er sendet die Daten dafür an den Hostcomputer.
Der Controller C kann durch eine entsprechende Überwachungsschaltung M Daten auf jeder Zelle 12 in einem Batteriepack akkumulieren. Wenn die Zelle zahlreiche Lade- und Entladezyklen durchläuft, werden die Änderung beim Innenwiderstand jeder Zelle und die Änderung bei der Anzahl der von der Zelle von der Zelle gelieferten Amperestunden von der oberen Ladespannungsgrenze zur untersten zulässigen Entladespannung gemessen und gekennzeichnet. Anhand dieser Daten können verschiedenen Charakteristiken einer Zelle berechnet werden. Beispielsweise werden eine Erhöhung des Innenwiderstands der Zelle und eine Abnahme bei den Amperestunden verwendet, um die verbleibende Kapazität der Zelle bezüglich der ursprünglichen Kapazität als ein Prozentsatz zu liefern, um ihre nützliche Restlebenserwartung in einem System zu spezifizieren.
Der Optokoppler Q3 wird von einem Logiksteuersignal S2 eingeschaltet, um einen Lichtimpuls von L2 zu erzeugen, um zu bewirken, daß Q3 leitet und R2 kurzschließt. Dies hält Q1 in dem Aus-Zustand und verhindert ein Herumleiten des Stroms. Dieses Merkmal wird verwendet, um den Gesundheitszustand einer Zelle zu bestimmen.
Der Gesundheitszustand einer Zelle wird durch verschiedene Parameter bestimmt, die ihre Verschlechterung von ihrer ursprünglichen hergestellten Zellkapazität kennzeichnen. Diese Bestimmung kann erfolgen durch Bestimmen einer Änderung bei der gegenwärtigen Amperestundenkapazität von ihrem ursprünglichen bekannten Wert. Bei einem beliebigen gegebenen Lade- oder Entladezyklus mißt und berechnet der Controller C eine Anzeige des Prozentsatzes der vollen Ladung, auf der sich die Zelle gegenwärtig befindet. Der Algorithmus dafür ist kein Teil der vorliegenden Erfindung. Es reicht aus anzumerken, daß, wenn die obere Spannungsgrenze der Zelle erreicht ist, der Ladezustand 100% beträgt. Wenn die Zelle auf die unterste zulässige Grenze entladen ist, beträgt der Ladezustand 0%. Indem die Zellspannung nicht mit dem Strombypass ausgeglichen wird, gestattet die Abweichung des Endzustands der Ladung der Zelle, ihren Gesundheitszustand zu bestimmen. Diese Vorkehrung kann bei der anfänglichen Entwicklung des Algorithmus verwendet werden. Beispielsweise würde blockiert werden, daß bei einer individuellen Zelle die Bypass Schaltungsanordnung sie während des Ladens ausgleicht. Durch Ausgleichen aller mit Ausnahme einer bestimmten Zelle während des Ladens, können die beobachteten Änderungen bei Zellparametern wie etwa die Rate, mit der sie Ladung annimmt, verwendet werden, um die Effizienz der Ausgleichsschaltungsanordnung zu kennzeichnen.
Zusätzlich dazu, daß die Prozentsatzwerte bereitgestellt werden, kann der Controller programmiert sein, geschätzte Zeiten zu liefern, zum Erreichen einer Ladung oder Entladung auf der Basis des durch die Batteriezellen fließenden Stroms. Diese Faktoren ergeben eine Echtzeitansicht des Gesundheitszustands und Ladezustands einer Zelle.
Spezifische Merkmale der Erfindung sind in der Zeichnung lediglich der Zweckmäßigkeit halber gezeigt, da jedes Merkmal mit anderen Merkmalen gemäß der Erfindung kombiniert werden kann. Alternative Ausführungsformen werden vom Fachmann erkannt und sollen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche enthalten sein.

Claims

Schaltung zum Überwachen einer individuellen Zelle (12-3) einer mehrzelligen Batterie (BATTERIESTAPEL), die von einer Stromquelle (I) geladen wird, wobei die Mehrfachzellen in Reihe mit der Stromquelle geschaltet sind und die Schaltung folgendes umfaßt: Mittel zum variablen Setzen einer vorbestimmten hohen Grenzspannung für die individuelle Zelle während des Ladens; einen ersten Verstärker (A2), an die zu überwachende Zelle angeschlossen, zum Empfangen der Spannung der geladenen individuellen Zelle als einen Eingang und der hohen Grenzspannung als einen weiteren Eingang, wobei der erste Verstärker ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die individuelle Zellspannung die hochpegelige Eingabe übersteigt; und eine Bypassschaltung (Q1), die an die individuelle Zelle angeschlossen ist und die durch Empfangen des von dem ersten Verstärker erzeugten Ausgangssignals aktiviert wird, um den Ladestrom um die individuelle Zelle herumzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum variablen Setzen einer vorbestimmten hohen Grenzspannung einen zweiten Verstärker (A1) umfaßt mit einem Stromeingang, der seriell an eine Zelle über der überwachten individuellen Zelle angeschlossen ist, und mit einem zweiten Stromeingang, der seriell an eine Zelle unter der überwachten individuellen Zelle angeschlossen ist, um einen dynamischen Arbeitsbereich für den ersten Verstärker bereitzustellen, wobei der zweite Verstärker eine Signaleingabe von einer externen Steuerelektronik aufweist zum Bestimmen der hohen Spannungsgrenze für die zu überwachende individuelle Zelle und mit einem an einem Signaleingang des ersten Verstärkers angeschlossenen Ausgang.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Bypassschaltung einen Widerstand (R5) umfaßt, durch den der umgeleitete Strom fließt, und einen mit dem Widerstand verbundenen dritten Verstärker (A3), um eine der Größe des Bypassstroms entsprechende Ausgangsspannung zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 2, weiterhin umfassend Schaltmittel (Q1) zum Betreiben der Bypassschaltung, um einen Puls Entladestrom zu erzeugen; einen an die individuelle Zelle angeschlossenen vierten Verstärker (A4) zum Messen der Zellspannung als Reaktion auf den Stromimpuls und Mittel (C) zum Empfangen des Ausgangssignals des dritten und vierten Verstärkers zum Bestimmen des Innenwiderstands der individuellen Zelle als Funktion der Größe des Bypassstromimpulses und der Zellspannungsantwort.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei das Schaltmittel dahingehend arbeitet, den Stromimpuls für ein Zeit zu erweitern, nachdem der Innenwiderstand der Zelle bestimmt ist, wobei die Schaltung weiterhin Mittel (C) umfaßt zum Verwenden der Ausgangssignale des dritten und vierten Verstärkers zum Bestimmen des Zellpolarisationswiderstands.
Schaltung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend einen Controller (C) zum Betreiben des Schaltmittels, eine von dem Controller betriebene Lichtquelle (L1) zum Erzeugen eines Lichts einer Dauer entsprechend der Dauer des Stromimpulses und einen auf das Licht reagierenden Optokoppler (Q2) zum Erzeugen eines Signals zum Betreiben des ersten Verstärkers zum Aktivieren der Bypassschaltung.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei der erste Verstärker weiterhin einen an die Zelle angeschlossenen Spannungsteiler (R1, R2) umfaßt und ein Eingangssignal zu dem ersten Verstärker an einem Punkt an dem Spannungsteiler entnommen ist, und wobei der Optokoppler an einem ersten Widerstand (R1) des Spannungsteilers angeschlossen ist, um den ersten Verstärker dahingehend zu betreiben, daß er sein Ausgangssignal erzeugt.
Schaltung nach Anspruch 2, weiterhin umfassend an den ersten Verstärker angeschlossene Schaltmittel (Q3), um zu verhindern, daß der erste Verstärker sein Ausgangssignal zum Aktivieren der Strombypassschaltung erzeugt, und einem Controller (C) zum Betreiben des Schaltmittels.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei das Schaltmittel folgendes umfaßt: eine von dem Controller betriebene Lichtquelle (L2) zum Erzeugen von Licht und einen auf das Licht reagierenden Optokoppler (Q3) zum Erzeugen eines Signals, um zu verhindern, daß der erste Verstärker sein Ausgangssignal erzeugt, und wobei der erste Verstärker weiterhin einen an die Zelle angeschlossenen Spannungsteiler (R1, R2) umfaßt und ein Eingangssignal zu dem ersten Verstärker von einem Punkt an dem Spannungsteiler entnommen ist und der Optokoppler an einen Widerstand (R2) des Spannungsteilers angeschlossen ist.
Schaltung nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: einen an die zu überwachende individuelle Zelle angeschlossenen Spannungsteiler (R1, R2), wobei der erste Verstärker einen an einen Punkt an dem Spannungsteiler angeschlossenen Signaleingang aufweist, und ein an den Spannungsteiler angeschlossenes erstes und zweites Schaltmittel (Q2, Q3) zum Betätigen oder Verhindern der Betätigung des ersten Verstärkers, wobei das erste und zweite Schaltmittel jeweils einen an einen Abschnitt des Spannungsteilers angeschlossenen Optokoppler umfassen.
Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Netz aus einem parallelgeschalteten Widerstand (R3) und Kondensator (C1), zwischen den Ausgang des ersten Verstärkers und den Signaleingang des ersten Verstärkers gekoppelt, an den der Ausgang des zweiten Verstärkers angeschlossen ist.