BALADUM Batterie-Ladegerät mit automatischer Umschaltvorrichtung zur Ladung von Batterien, welche aus mehreren in Serie geschalteten Batterieblöcken bestehen. Juli 2001 1
Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung... 3 Beschreibung des Prototyps... 4 Erste Resultate... 6 Literaturverzeichnis... 7 Anhang:... 7 Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Architektur Biel-Bienne Abteilung Automobiltechnik karl.meier@hta-bi.bfh.ch Quellgasse 21 CH-2500 Biel-Bienne Switzerland Titelbild: Der Prüfstand mit dem ersten Protoypen des Batterieladegerätes BALADUM 2
Zusammenfassung Stand der Technik Bei der Serienschaltung von Akkumulatorenbatterien werden in der Regel Ladegeräte eingesetzt, welche den gesamten Batteriestrang bestehend aus mehreren Batterieblöcken mit der Gesamtspannung aufladen. Dabei ist es schwierig, die einzelnen Zellenspannungen sicher zu beherrschen. Die einzelnen Batterieblöcke weisen daher während der Ladung unterschiedliche Spannungen auf. Während der U-Phase können einzelne Spannungen so hohe Werte erreichen, dass eine erhöhte Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff auftritt. Das führt vor allem bei den wartungsfreien Batterien zum Verlust von Wasser. Die Folge ist eine Korrosion des oberen Teils des Bleigitters. Dieser Effekt führt zu einem vorzeitigen Ausfall der Zelle. Aus der technischen Literatur ist seit einigen Jahren bekannt[1], dass bei gewissen Batterien die Lebensdauer im Zyklenbetrieb durch Verwendung hoher Ladeströme verbessert wird. Ein Versuch auf dem Prüfstand der HTA Biel bestätigte diese Aussage [2]. Dieser Vorteil kann aber häufig nicht genutzt werden, weil die Kosten der Ladegeräte mit zunehmender Leistung ansteigen. Prinzip der Erfindung Beim Batterieladegerät mit automatischer Umschaltung handelt es sich um ein Ladegerät, mit dem die einzelnen Batterieblöcke einer Serienschaltung nacheinander aufgeladen werden. Dabei wird jedem Batterieblock während einer Zeit von 0,5 bis 5 min. ein Ladestrom zugeführt. Dieser Prozess wird solange wiederholt, bis alle Batterieblöcke voll aufgeladen sind oder bis die Verbindung zum öffentlichen Netz unterbrochen wird. Ein AC/DC-Wandler dient als Leistungsblock. Dabei können der Ladestrom und die Ladespannung gesteuert werden. Elektrische Schalter zum Beispiel MOSFET-Transistoren stellen die Verbindung zwischen dem Leistungsteil und den Batterieblöcken her. Eine elektronische Steuerung mit einem Mikroprozessor steuert den Leistungsteil und die Umschalter. Dazu werden die Parameter Spannung und Temperatur laufend überwacht. Die Spannungsregelung erfolgt in Abhängigkeit der Batterietemperatur. Bild 1: Prinzip des Batterieladegerätes BALADUM Jeder 12 V-Block wird nacheinander separat aufgeladen. Dabei beträgt der Ladestrom 0,5 C oder mehr. Die Ladezeit beträgt 0,5 5 min. pro Block. Der Ladeprozess wird solange fortgesetzt bis die Batterie aufgeladen ist. 3
Vorteile dieses Ladegerätes - Der Leistungsteil muss lediglich für einen Batterieblock ausgelegt werden. Damit können die Kosten für das Ladegerät reduziert werden. - Jeder Batterieblock wird individuell aufgeladen. - Die Spannung des einzelnen Batterieblockes kann überwacht und eingehalten werden. - Der einzelne Batterieblock kann während den Pausen abkühlen. - Beim vorzeitigen Abbruch der Ladung befinden sich die Batterien nahezu im gleichen Ladezustand. - Grössere Zyklenzahl und Lebensdauer der Batterie. Die Zahl der Batterieblöcke, welche mit dem Ladegerät aufgeladen werden, ist unbegrenzt. Dabei können bei einer grossen Anzahl Batterieblöcken auch mehrere Ladegeräte nebeneinander eingesetzt werden. Anwendung dieses Ladeverfahrens Dieses Ladeverfahren eignet sich besonders gut für On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen mit Bleibatterien. Daneben ist es gut für folgende Anwendungen geeignet: - On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge welche mit anderen Akkumulatoren ausgerüstet sind. - Stationäres Ladegerät für alle Akkumulatorentypen. - Aufladung von Supercpas Beschreibung des Prototyps Der Prototyp wurde so ausgelegt, dass er in ein Elektrofahrzeug Mini-El eingebaut werden kann. Das Ladegerät besteht aus folgenden Bauteilen: - Leistungsteil - Steuergerät - Umschalter Die Verkabelung erfolgt mit Flachbandkabeln und Einzelkabeln. Ein Ausbau mit einem Datenbus ist für einen späteren Zeitpunkt vorgesehen. Leistungsteil Der Leistungsteil wurde mit handelsüblichen Bauteilen der Firma VICOR [3][4] aufgebaut. Dabei wurden folgende Bauelemente eingesetzt: - 1 VI-ARM-C12 Input-Modul In: 90 bis 264 Vac bei 750 W max. Temperatur-Bereich: -25 bis 85 C - 1 VI-261-CU-BM DC-DC Converter In: 300 Vdc; Out 12 Vdc bei 200 W Temperatur-Bereich: -25 bis 85 C - VI-B61-CU-BM Boostermodul In: 300Vdc; Out: 12Vdc bei 150 W Temperatur-Bereich: -25 bis 85 C - Weiteres Material analog den Empfehlungen von VICOR Diese Bauelemente werden auf einen Kühlkörper aufgebaut und mit einem Gehäuse gegen Berührungen durch Personen gesichert. Der Prototyp kommt ohne Kühlventilator aus. Dieser kann bei Bedarf nachträglich eingebaut werden. Die Ausgangsspannung wird vom elektronischen Steuergerät überwacht und über den Eingang V Trim geregelt. Der Ladestrom wird über den Eingang I Trim gesteuert. Steuergerät Das Steuergerät besteht aus den folgenden 4 Leiterplatten: - Messung der Temperatur und der Spannung der einzelnen Batterieblöcke sowie 230V-Erkennung. - Mikroprozessor - Ausgang - Treiber Die Leiterplatten sind in einem Metallgehäuse untergebracht. Die Verbindung unter den einzelnen Teilen erfolgt mit Flachbandkabeln. Eine Weiterentwicklung zu einem Bus-System ist in einem weiteren Entwicklungsschritt vorgesehen. Messung der Temperatur und der Spannung der einzelnen Batterieblöcke sowie 230V-Erkennung: Siehe Anhang 1: Messung Bei diesem Prototyp wird die Temperatur an einem Batterieblock gemessen. Dazu wird ein Temperatursensor Siemens KTY- eingesetzt. Dieser wird direkt von der Spannungsquelle des Mikroprozessors gespiesen. Der 4
Messwert kann deshalb direkt dem Mikroprozessor zugeführt werden. Mit einem Potentiometer kann die Temperatur kalibriert werden. Bei Bedarf kann die Temperatur an weiteren Batterieblöcken gemessen werden. Die Spannungsmessung der einzelnen Batterieblöcke wird mit Printrelais durchgeführt. Diese werden vom Mikroprozessor eingeschaltet, sobald der entsprechende Batterieblock geladen wird. Die Speisung der Relais erfolgt über die Bordspannung des Fahrzeuges mit 12 V. Die Ansteuerung vom Mikroprozessor erfolgt über Optokoppler und Transistoren. Dabei verhindert eine elektronische Verriegelung, dass gleichzeitig zwei Relais geschaltet werden können. Der Messwert wird über einen Trennverstärker dem Mikroprozessor zugeführt. Vor dem Trennverstärker wird die Spannung des Batterieblockes auf den Wert 0,294 * U reduziert. Somit bedeutet im Mikroprozessor die Spannung von 5 V eine Spannung des Batterieblockes von 17 V. Mit einem Potentiometer kann die Spannung kalibriert werden. Der Trennverstärker-Eingang wird über einen DC/DC-Wandler mit Spannung versorgt. Der Ausgang wird vom DC/DC-Wandler des Mikroprozessors mit Spannung versorgt. Die 230 V-Erkennung dient der Feststellung, dass das Fahrzeug mit dem Ladestecker an das öffentliche Netz angeschlossen wurde. Mit einem Optokoppler HP HCPL3700 wird der Wechselstrom gleichgerichtet und ein digitales Signal für den Mikroprozessor erzeugt. Mikroprozessor Siehe Anhang 2: Mikroprozessor Der Mikroprozessor befindet sich auf einer Leiterplatte. Die Speisung erfolgt über einen DC/DC-Wandler und einen 5 V-Regler. Bei der Programmiersprache handelt es sich um BASIC. Das Flussdiagramm befindet sich im Anhang 3: Flussdiagramm Die Einschaltzeit der einzelnen Batterieblöcke wird vom Mikroprozessor gesteuert. Diese Zeit beträgt 0,5 bis 5 min. Über einen analogen Ausgang wird die Spannung V Trim für den Leistungsteil erzeugt. Mit einem Potentiometer kann die Lade-Endspannung kalibriert werden. Für die Steuerung des Ausgangsstromes wurden zwei Digitalausgänge verwendet. Damit können zwei unterschiedliche Ströme gesteuert werden. Beim vorliegenden Prototyp wird der Strom während der I-Phase gesteuert. Das Programm kann von einem PC über eine serielle Schnittstelle übertragen werden. Damit sind Anpassungen des Ladegerätes an die Wünsche des Kunden in kurzer Zeit möglich. Ausgang Siehe Anhang 4: Ausgang Auf dieser Leiterplatte werden die Ausgangsignale des Mikroprozessors mit einer Potentialtrennung an die Treiberplatte weitergegeben. Ein Relais wird geschlossen, sobald das Ladegerät arbeitet. Damit kann die Steuerung des Fahrzeugantriebes ausgeschaltet werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Fahrer nicht mit dem Fahrzeug wegfährt, wenn der Ladestecker noch mit dem öffentlichen Netz verbunden ist. Ein NPN-Kleinsignaltransistor wird leitend, sobald die Ladung beendet ist. Damit kann ein externes Signal das Ende der Ladung anzeigen. Drei Kontrollleuchten zeigen die folgenden Betriebszustände an: - gelb blinkend: Das Ladegerät ist in Betrieb - rot: Uebertemperatur: Die Antriebsbatterie ist zu warm - grün Die Ladung ist beendet Diese Kontrollleuchten sind durch drei Bohrungen im Gehäuse sichtbar. Mit einem Relais kann der Ladestrom auf den maximalen Wert mit Hilfe von I Trim eingestellt werden. Dazu kann ein zweiter kleiner Ladestrom mit Hilfe eines Potentiometers gesteuert werden. Damit kann eine zweite I- Phase erzeugt werden. Die zweite Möglichkeit wird beim laufenden Prototyp nicht verwendet. Treiber Siehe Anhang 5: Treiber Auf der Leiterplatte Treiber befinden sich die Printrelais für das Einschalten des Batterieblockes, welcher geladen wird. Dabei wird für jeden Batterieblock je ein Relais für die Steuerung des Umschalters am Pluspol und ein Relais für die Umschaltung des Minuspols verwendet. Ein DC/DC-Wandler erzeugt die für den Plus- und den Minuspol benötigten Steuerspannungen. 5
Umschalter Beim vorliegenden Prototyp werden für den Umschalter MOSFET-Transistoren verwendet. Weil diese eine Inversdiode besitzen, muss deren Wirkung mit einer Diode unterbrochen werden, da sonst die Potentialtrennung der einzelnen Batterieblöcke nicht gewährleistet werden kann. Für den Prototyp wurden TempFET verwendet. Diese werden bei Übertemperatur automatisch abgeschaltet. Damit kann ein Überhitzen des Transistors keinen Ausfall des Transistors verursachen. Die Steuersignale für die Transistoren werden mit Kabeln übertragen. Für eine weitere Ausbaustufe ist ein Datenbus vorgesehen. Die Transistoren und Dioden sind auf zwei Aluminiumblechen aufgebaut. Diese dienen der Wärmeableitung. Mit der flachen Bauweise können die Umschalter direkt auf dem zu schaltenden Batterieblock montiert werden. Die Überspannungs-Schutzschaltung wird zusammen mit den Anschlussklemmen auf einer Leiterplatte montiert. Eine grüne Low-Current-LED leuchtet auf, sobald der Schalter eingeschaltet ist. Für den Prototyp wird kein Kühlventilator verwendet. Dieser kann bei Bedarf eingebaut werden. Anstelle der MOSFET-Transistoren kann ein anderer Halbleiter oder ein Relais für das Umschalten des Ladestromes eingesetzt werden. Erste Resultate Der erste Prototyp wurde zusammen mit drei Batterieblöcken in Betrieb genommen. Damit entspricht der Aufbau einem Elektrofahrzeug Mini-El mit welchem in einer zweiten Phase ein Praxistest auf der Strasse durchgeführt werden sollen. Das Ladegerät BALADUM wird zusammen mit den Testbatterien an einen automatischen Prüfstand [5] angeschlossen. (siehe Titelbild) Testbatterie Optima Yellow Top D 00 S Nennspannung: 12 V Kapazität C 20 : 60 Ah Gewicht: 19,5 kg Abmessungen: Länge: 254 mm Breite: 172 mm Höhe: 199 mm Innenwiderstand: < 5 mω BALADUM I-Phase U [V] 13,5 13 12,5 12 11,5 11,5 U1 U2 U3 I = 30A 50 45 40 35 30 25 20 15 5 I [A] 0 3640 3641 3642 3643 3644 3645 3646 3647 3648 3649 3650 t [min] 6
Bild 2: BALADUM während der I-Phase Während der I-Phase wird jeder Batterieblock mit einem Strom aufgeladen der mindesten 0,5 C oder mehr beträgt. Beim Protoyp des BALADUM beträgt dieser Strom 30 A.Während dieser Phase können die Batterieblöcke wie auf diesem Diagramm unterschiedliche Spannungen aufweisen. BALADUM U-Phase 15 50 14,5 U1 U2 U3 45 14 40 13,5 35 13 30 U [V] 12,5 12 I 25 20 I [A] 11,5 15 11,5 5 0 3730 3732 3734 3736 3738 3740 3742 3744 t [min] Bild 3: BALADUM während der U-Phase Während der U-Phase wird die Spannung auf einen festen Wert eingestellt. Dabei können die einzelnen Batterieblöcke unterschiedliche Ströme aufweisen. In dem abgebildeten Diagramm ist der Ladestrom des Batterieblockes 3 deutlich höher als derjenige der Blöcke 1 und 2. Literaturverzeichnis [1] Pavlov D.; Petkova G.; Dimitrov M. ; Shiomi M. ; Tsubota M.: Influence of fast charge on the life cycle of positive lead-acid battery plates; Journal of Power Sources 87 (2000) 39-56 [2] Meier-Engel Karl: VEBILA, Verbesserung der Lebensdauer von Batterien mit einem intelligenten Ladegerät; Jahresbericht 2000 HTA Biel-Bienne; Abteilung Automobiltechnik [3] Vicor: Vicor product user guide [4] Internet: www.vicr.com [5] Meier-Engel Karl, Kessi Andreas: EPA: Entwicklung eines Prüfgerätes für Antriebsbatterien von Elektrofahrzeugen, HTA Biel-Bienne, Abteilung Automobiltechnik, August 1998 Anhang: Anhang1: Anhang 2: Anhang 3: Anhang 4: Anhang 5: Messung (2 Seiten) Mikroprozessor (2 Seiten) Flussdiagramm Ausgang (2 Seiten) Treiber (3 Seiten) 7