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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung, die eine Anzahl in Reihe geschalteter Akkumulatoren aufweist.
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Akkumulatoren (Akkus) sind wiederaufladbare Ladungsspeicher, die in geladenem Zustand elektrische Leistung für eine Last zur Verfügung stellen können. Die Spannung, bei welcher diese Leistung zur Verfügung gestellt wird, ist von der Art des Akkumulators abhängig. Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren liegt diese Spannung im Bereich von 3,3 V. Zur Versorgung von Lasten, die höhere Versorgungsspannungen benötigen, ist es bekannt, mehrere Akkumulatoren zu einer Akkumulatoranordnung in Reihe zu schalten. Die von einer solchen Akkumulatoranordnung bereitgestellte Versorgungsspannung entspricht dabei der Summe der einzelnen Versorgungsspannungen der in Reihe geschalteten Akkumulatoren.
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Zum Laden einer solchen Akkumulatoranordnung ist es bekannt, der Akkumulatoranordnung einen Ladestrom über Anschlussklemmen zuzuführen, die Spannungen über den einzelnen Akkumulatoren der Reihenschaltung während des Ladevorgangs zu überwachen und den Ladevorgang zu beenden, wenn die Spannung über einem der Akkumulatoren einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat. Das Überschreiten dieses Schwellenwertes ist ein Anzeichen dafür, dass der jeweilige Akkumulatorvollständig geladen ist und nicht mehr weiter geladen werden sollte.
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Um die nutzbare Kapazität der Akkumulatoranordnung zu optimieren, ist es bekannt, die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren am Ende des Ladevorgangs aneinander anzugleichen.
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Hierzu kann ein Sperrwandler vorgesehen sein, der eine an die Anschlussklemmen der Akkumulatoranordnung angeschlossene Primärwicklung und mehrere, jeweils an die Akkumulatoren angeschlossene Sekundärwicklungen aufweist. Zum Angleichen der Ladezustände wird der Akkumulatoranordnung, d. h. der Reihenschaltung der einzelnen Akkumulatoren, in einer ersten Betriebsphase des Schaltwandlers Energie entnommen und in der Primärwicklung gespeichert. In einer zweiten Betriebsphase wird die in der Primärwicklung gespeicherte Energie auf alle Sekundärwicklungen übertragen und über diese Sekundärwicklungen in die einzelnen Akkumulatoren eingespeist. Der größte Strom fließt dabei auf den Akkumulator, über dem momentan die niedrigste Spannung anliegt, der also den niedrigsten Ladezustand besitzt. Bedingt durch einen unvermeidlichen Innenwiderstand der einzelnen Akkumulatoren steigt die Spannung über den Akkumulatoren bei einem auf die Akkumulatoren fließenden Ladestrom an. Dieser Spannungsanstieg ist für einen Akkumulator umso größer, umso höher der Ladestrom dieses Akkumulators ist, was dem Ladestrom entgegenwirkt. Akkumulatoren mit einem niedrigen Ladezustand werden dadurch weniger stark geladen, als es aufgrund ihres Ladezustandes erforderlich wäre. Darüber hinaus wird ein Teil der der gesamten Akkumulatoranordnung entnommenen Energie auch in den oder die Akkumulatoren zurückgespeist, die bereits einen hohen Ladezustand erreicht haben, bzw. vollständig aufgeladen sind.
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Schmidt et al.: „THE CHARGE EQUALIZER - A NEW SYSTEM TO EX-TEND BATTERY LIFETIME IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS, U.P.S. AND ELECTRIC VEHICLES“ Telecommunications Energy Conference, IN-TELEC '93. 15th International, Vol. 2, S. 146-151, 27.-30. September 1993 beschreibt eine Schaltung mit einer mehrere Akkumulatoren aufweisenden Akkumulatoranordnung und einer Ausgleichsschaltung. Die Ausgleichsschaltung umfasst einen Transformator mit einer Primärwicklung, die über einen Schalter an die Akkumulatoranordnung angeschlossen ist, und mit mehreren Sekundärwicklungen, von denen jede über eine Diode an einen der Akkumulatoren gekoppelt ist.
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Die
JP 2003 333762 A beschreibt eine Akkumulatoranordnung mit mehreren Akkumulatoren und zwei Arten von unidirektionalen Ausgleichsschaltungen. Die Ausgleichsschaltungen umfassen jeweils einen Transformator mit einer Primärwicklung, die an die Akkumulatoranordnung gekoppelt ist, und mit mehreren Sekundärwicklungen, von denen jede an jeweils einen der Akkumulatoren gekoppelt ist.
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Die
US 2004 0135544 A1 beschreibt eine Akkumulatoranordnung mit mehreren Akkumulatoren und eine Ausgleichsschaltung. Die Ausgleichsschaltung umfasst einen Hochsetz- und einen Tiefsetzsteller und eine Schaltermatrix, die die Akkumulatoren an den Hochsetz- und den Tiefsetzsteller koppelt, und ermöglicht einen bidirektionalen Ladungstransfer zwischen einem einzelnen Akkumulator und der Akkumulatoranordnung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung zur Verfügung zu stellen, die einen effizienten Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung ermöglicht, und ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch Schaltungsanordnungen nach den Ansprüchen 1 und 3 und durch Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 8 gelöst.
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Eine Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer eine Reihenschaltung von Akkumulatoren aufweisenden Akkumulatoranordnung umfasst eine Anzahl von ersten Reihenschaltungen zum Parallelschalten mit jeweils einem Akkumulator. Diese ersten Reihenschaltungen weisen jeweils ein Schaltelement mit einer Laststrecke und einem Ansteueranschluss und ein in Reihe zu der Laststrecke des Schaltelements geschaltetes induktives Speicherelement auf. Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem eine weitere Reihenschaltung zum Parallelschalten mit der Akkumulatoranordnung, wobei die weitere Reihenschaltung ein weiteres Schaltelement mit einer Laststrecke und einem Ansteueranschluss und ein in Reihe zu der Laststrecke des Schaltelements geschaltetes weiteres induktives Speicherelement aufweist. Das induktive Speicherelement der weiteren Reihenschaltung ist dabei induktiv mit den induktiven Speicherelementen der ersten Reihenschaltungen gekoppelt. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Ansteuerschaltung mit einer Anzahl von ersten Ansteuerausgängen, von denen jeweils einer an den Ansteueranschluss eines der Schaltelemente der ersten Reihenschaltungen gekoppelt ist, und mit einem weiteren Ansteuerausgang, der an den Ansteueranschluss des Schaltelements der weiteren Reihenschaltung gekoppelt ist.
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Die ersten Reihenschaltungen mit jeweils einem Schaltelement und einem induktiven Speicherelement und die weitere Reihenschaltung mit einem weiteren Schaltelement und einem weiteren induktiven Speicherelement bilden bei dieser Schaltungsanordnung eine Anzahl von Schaltwandlern, die jeweils zwischen die Akkumulatoranordnung, d. h. die Reihenschaltung der einzelnen Akkumulatoren, und diese einzelnen Akkumulatoren geschaltet sind und die bidirektional betrieben werden können. Über diese Schaltwandler kann der gesamten Akkumulatoranordnung Energie entnommen und selektiv einzelnen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung zugeführt werden. Des Weiteren kann über diese Schaltwandler auch einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie entnommen und in die gesamte Akkumulatoranordnung zurückgespeist werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer eine Reihenschaltung von Akkumulatoren aufweisenden Akkumulatoranordnung ist vorgesehen, Akkumulatorspannungen über wenigstens einigen der Akkumulatoren zu messen, wenigstens einen Akkumulator abhängig von der ermittelten Akkumulatorspannung auszuwählen, der Akkumulatoranordnung elektrische Energie zu entnehmen und wenigstens einen Teil der entnommenen Energie nur dem wenigstens einen ausgewählten Akkumulator zuzuführen.
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Bei einem Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, Akkumulatorspannungen über wenigstens einigen der Akkumulatoren zu messen, einen der Akkumulatoren abhängig von den ermittelten Akkumulatorspannungen auszuwählen, elektrische Energie dem ausgewählten Akkumulator zu entnehmen und wenigstens eines Teils der entnommenen Energie der Akkumulatoranordnung, d. h. den in Reihe geschalteten Akkumulatoren, zuzuführen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Erfindung, wobei nur die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Schaltungskomponenten dargestellt sind. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
- 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren, die eine Anzahl erster Reihenschaltungen mit jeweils einem Schaltelement und einem induktiven Speicherelement und eine weitere Reihenschaltung mit einem weiteren Schaltelement und einem weiteren induktiven Speicherelement aufweist.
- 2 zeigt schematisch eine Ladekurve eines Akkumulators, in der eine an dem Akkumulator abgreifbare Spannung abhängig von einer in dem Akkumulator gespeicherten Ladung dargestellt ist.
- 3 veranschaulicht einen ersten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung anhand zeitlicher Verläufe von Ansteuersignalen wenigstens eines der ersten Schalter und des weiteren Schalters.
- 4 veranschaulicht einen zweiten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung anhand zeitlicher Verläufe von Ansteuersignalen wenigstens eines der ersten Schalter und des weiteren Schalters.
- 5 zeigt ein zweites Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren.
- 6 veranschaulicht ein erstes Realisierungsbeispiel eines Schaltelements der ersten Reihenschaltungen.
- 7 veranschaulicht ein zweites Realisierungsbeispiel für ein Schaltelement einer ersten Reihenschaltung.
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1 zeigt ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung. Zum besseren Verständnis ist in 1 außer der Schaltungsanordnung auch ein solcher Akkumulator 9 dargestellt.
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Dieser Akkumulator 9 umfasst eine Reihenschaltung mit einer Anzahl Akkumulatoren 91, 92, 93, 9n. Die in 1 dargestellte Akkumulatoranordnung 9 weist vier solcher Akkumulatoren 91, 92, 93, 9n auf. Selbstverständlich können jedoch eine beliebige Anzahl von Akkumulatoren in der Akkumulatoranordnung 9 in Reihe geschaltet sein. Jeder der Akkumulatoren 91-9n kann aus einer Akkumulatorzelle bestehen. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, zur Bildung eines Akkumulators zwei oder mehr Akkumulatorzellen parallel zu schalten, wie dies in 1 für den Akkumulator 9n gestrichelt dargestellt ist.
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Die Akkumulatoranordnung 9 weist zwei Anschlussklemmen 9+, 9-auf, nämlich eine erste Anschlussklemme 9+ an einem ersten Ende der Reihenschaltung und eine zweite Anschlussklemme 9-an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende der Reihenschaltung. Die erste Anschlussklemme bildet in dem Beispiel einen positiven Anschluss und die zweite Anschlussklemme bildet einen negativen Anschluss der Akkumulatoranordnung.
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Die einzelnen Akkumulatoren 91-9n dienen jeweils zur Speicherung von Energie in Form elektrischer Ladung. Zum Laden der Akkumulatoranordnung 9 mit elektrischer Energie kann eine Ladeschaltung 10, beispielsweise über einen Schalter 11, an die Anschlussklemmen 9+, 9- der Akkumulatoranordnung 9 angeschlossen werden. Diese Ladeschaltung 10, die in 1 gestrichelt dargestellt ist, ist nicht Teil der Erfindung und ist nur zum besseren Verständnis dargestellt. Der Aufbau und die Funktion derartiger Ladeschaltungen ist grundsätzlich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
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Die Akkumulatoranordnung 9 kann durch Zuführen eines Ladestroms zu der ersten Anschlussklemme 9+ geladen und durch Abführen eines Entladestroms von dieser ersten Anschlussklemme 9+ entladen werden. Eine solche Entladung wird beispielsweise vor einem erneuten Laden der Akkumulatoranordnung 9 durchgeführt, um die Lebensdauer der Akkumulatoranordnung 9 zu erhöhen, d.h. um eine möglichst große Anzahl möglicher Lade- und Entladezyklen zu erreichen, bevor die Akkumulatoranordnung verbraucht ist, also nicht mehr in der Lage ist, elektrische Energie in dem gewünschten Umfang zu speichern.
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Sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Akkumulatoranordnung 9 können ungleiche Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren 91-9n auftreten. Zur Erläuterung sei zunächst die in 2 schematisch dargestellte Ladekurve eines Akkumulators betrachtet. Dargestellt ist in 2 die Spannung V über dem Akkumulator abhängig von der in dem Akkumulator gespeicherten Ladung C. Diese in dem Akkumulator gespeicherte Ladung C bestimmt den Ladezustand des Akkumulators. Die an dem Akkumulator zur Verfügung stehende Spannung V ist über einen weiten Bereich des Ladezustandes annähernd konstant. Für Lithium-Ionen-Akkumulatoren beträgt diese Spannung, die auch als Nennspannung bezeichnet wird, zwischen 3,3 V und 3,6 V. Dieser Bereich des Ladezustandes, innerhalb dessen die Spannung annähernd konstant ist, wird nachfolgend als Arbeitsbereich des Akkumulators bezeichnet. Wird der Akkumulator über diesen Arbeitsbereich hinaus aufgeladen, was im rechten Teil der Figur dargestellt ist, so steigt die Akkumulatorspannung rapide an. Die maximale Speicherkapazität des Akkumulators ist dabei erreicht, der Akkumulator kann nicht mehr weiter aufgeladen werden. Wird der Akkumulator bis unter den Arbeitsbereich entladen, was im linken Teil der 2 dargestellt ist, so sinkt die Akkumulatorspannung rapide ab.
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Herstellungsbedingt oder bedingt durch unterschiedlichen Verschleiß während des Betriebs können die einzelnen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, was dazu führt, dass einzelne Akkumulatoren während des Ladevorgangs bereits früher vollständig aufgeladen sind wie andere. Der Ladevorgang sollte dabei beendet werden, sobald einer der Akkumulatoren seinen maximalen Ladezustand erreicht hat. Entsprechend können während eines Entladevorgangs einzelne Akkumulatoren früher bis unterhalb ihres Arbeitsbereichs entladen sein, wie andere Akkumulatoren. Der Entladevorgang sollte dabei beendet werden, sobald einer der Akkumulatoren bis unterhalb seines Arbeitsbereichs entladen wurde.
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Im Sinne einer möglichst langen Lebensdauer der Akkumulatoranordnung und im Sinne einer möglichst großen nutzbaren Kapazität der Akkumulatoranordnung ist es hierbei wünschenswert, die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren einander anzugleichen. Dies kann am Ende eines Ladevorgangs, am Ende eines Entladevorgangs oder auch während des Betriebs der Akkumulatoranordnung, also dann wenn die Akkumulatoranordnung zur Spannungsversorgung einer Last genutzt wird, erfolgen.
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Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung umfasst hierzu eine der Anzahl der Akkumulatoren entsprechende Anzahl erster Reihenschaltungen mit jeweils einem Schaltelement 21, 22, 23, 2n und einem induktiven Speicherelement 11, 12, 13, 1n. Jede dieser Reihenschaltungen ist während des Betriebs der Schaltungsanordnung parallel zu einem der Akkumulatoren 91-9n der Akkumulatoranordnung 9 geschaltet. Die Schaltelemente 21-2n der ersten Reihenschaltungen weisen jeweils eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss auf, wobei die Laststrecken in Reihe zu dem zugehörigen induktiven Speicherelement 11-1n geschaltet sind und wobei den Ansteueranschlüssen jeweils ein Ansteuersignal S1, S2, S3, Sn zugeführt ist. Diese Ansteuersignale S1-Sn werden in nachfolgend noch erläuterter Weise von einer Ansteuerschaltung 3 erzeugt.
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Die Schaltungsanordnung weist außerdem eine weitere Reihenschaltung mit einem weiteren induktiven Speicherelement 51 und einem weiteren Schaltelement 52 auf. Diese Reihenschaltung ist zwischen die Anschlüsse 9+, 9- der Akkumulatoranordnung 9, und damit parallel zu der Reihenschaltung der einzelnen Akkumulatoren 91-9n geschaltet. Das weitere Schaltelement 52 weist eine Laststrecke, die in Reihe zu dem weiteren induktiven Speicherelement 51 geschaltet ist, und einen Ansteueranschluss zum Zuführen eines Ansteuersignals S52 auf. Dieses Ansteuersignal wird während des Betriebs der Schaltungsanordnung ebenfalls durch die Ansteuerschaltung 3 zur Verfügung gestellt.
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Die induktiven Speicherelemente 11-1n der ersten Reihenschaltungen sind induktiv mit dem weiteren induktiven Speicherelement 51 der weiteren Reihenschaltung gekoppelt. Diese Kopplung kann beispielsweise über einen Transformatorkern, der in 1 schematisch als Strich zwischen den induktiven Speicherelementen dargestellt ist, mit oder ohne Luftspalt oder auch nur über einen Luftspalt erfolgen.
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Die parallel zu den Akkumulatoren geschalteten ersten Reihenschaltungen und die parallel zu der Akkumulatoranordnung geschaltete weitere Reihenschaltung bilden jeweils mehrere bidirektional betreibbare Sperrwandler, die zwischen die Reihenschaltung der Akkumulatoren 91-9n und die einzelnen Akkumulatoren geschaltet sind. „Bidirektional betreibbar“ heißt in diesem Zusammenhang, dass Energie von den induktiven Speicherelementen 11-In der ersten Reihenschaltungen auf das weitere induktive Speicherelement 51 übertragen werden kann oder von dem weiteren induktiven Speicherelement 51 auf die induktiven Speicherelemente 11-1n der ersten Reihenschaltungen übertragen werden kann. Hierdurch kann einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie entnommen und an die gesamte Akkumulatoranordnung zurückgespeist werden kann, oder der Akkumulatoranordnung 9 kann Energie entnommen und selektiv an einzelne Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung zurückgespeist werden. Diese beiden Betriebsmodi werden nachfolgend anhand der 3 und 4, in denen zeitliche Verläufe der Ansteuersignale einzelner Schaltelemente dargestellt sind, erläutert.
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In einem ersten Betriebsmodus wird Bezug nehmend auf 3 das weitere Schaltelement 52 für eine vorgegebene Einschaltdauer T52 leitend angesteuert. Den Akkumulatoren 91-9n der Akkumulatoranordnung 9 wird dadurch Energie entnommen, die in dem weiteren induktiven Speicherelement 51 gespeichert wird. Die Zeitdauer, für welche der weitere Schalter 52 geschlossen wird, bestimmt hierbei die der Akkumulatoranordnung 9 entnommene Energie. Mit Öffnen des weiteren Schalters 52 am Ende der Einschaltdauer T52 wird wenigstens einer der Schalter der ersten Reihenschaltungen für eine Einschaltdauer T geschlossen. S bezeichnet in 3 das Ansteuersignal eines oder mehrerer beliebiger Schalter dieser ersten Reihenschaltungen. Mit Öffnen des weiteren Schalters 52 und Schließen wenigstens eines der ersten Schalter wird die zuvor in dem weiteren induktiven Speicherelement 51 gespeicherte elektrische Energie auf das induktive Speicherelement übertragen, das in Reihe zu dem wenigstens einem geschlossenen Schalter geschaltet ist, und fließt in den an dieses induktive Speicherelement angeschlossenen Akkumulator. Die induktiven Speicherelemente sind beispielsweise als Spulen realisiert. Der Wicklungssinn dieser Spulen ist hierbei so gewählt, dass Energie von dem weiteren induktiven Speicherelement 51 auf die induktiven Speicherelemente der ersten Reihenschaltungen erst nach Öffnen des weiteren Schalters 52 übertragen wird. Bei der zuvor erläuterten Betriebsweise wirkt das weitere induktive Speicherelement 51 als Primärwicklung der durch die induktiven Speicherelemente gebildeten Transformatoren der Sperrwandler.
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Nach öffnen des weiteren Schalters 52 sollte bei dem anhand von 3 erläuterten Betriebsmodus wenigstens einer der Schalter der ersten Reihenschaltungen geschlossen werden, um Überspannungen an den induktiven Speicherelementen 11-1n der ersten Reihenschaltungen zu vermeiden. Optional besteht die Möglichkeit, Gleichrichterelemente, beispielsweise Dioden, parallel zu den Schaltelementen S1-Sn zu schalten, wie dies in 1 gestrichelt für das Schaltelement S3 dargestellt ist. Diese Gleichrichterelemente sind so verschaltet, dass sie einen Stromfluss von den induktiven Speicherelementen auf die angeschlossenen Akkumulatoren ermöglichen, einen Stromfluss in der Gegenrichtung jedoch verhindern, um dadurch ein unbeabsichtigtes Entladen der Akkumulatoren zu verhindern. Ist nach Öffnen des weiteren Schalters 52 noch keiner der Schalter der ersten Reihenschaltungen geschlossen, so ermöglichen diese Gleichrichterelemente einen Stromfluss auf die Akkumulatoren und verhindern dadurch Überspannungen an den induktiven Speicherelementen der ersten Reihenschaltungen. Der Durchlasswiderstand solcher Gleichrichterelemente ist allerdings höher als der Durchlasswiderstand eines geschlossenen Schaltelements, so dass nach Schließen eines der ersten Schaltelemente ein Großteil der bis dahin noch in dem weiteren induktiven Speicherelement 52 gespeicherten Energie auf den Akkumulator übertragen wird, der an das geschlossene Schaltelement angeschlossen ist.
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Bezug nehmend auf 4 wird bei einem zweiten Betriebsmodus der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung eines der Schaltelemente der ersten Reihenschaltungen für eine vorgegebenen Einschaltdauer T geschlossen, wodurch dem an das geschlossene Schaltelement angeschlossenen Akkumulator Energie entnommen wird und in dem an das geschlossene Schaltelement angeschlossenen induktiven Speicherelement gespeichert wird. Mit Öffnen dieses ersten Schalters wird der in Reihe zu dem weiteren induktiven Speicherelement 51 geschaltete weitere Schalter 52 geschlossen, wodurch die zuvor gespeicherte Energie auf das weitere induktive Speicherelement 51 übertragen wird und von dort über die Anschlussklemmen 9+, 9- in die gesamte Akkumulatoranordnung 9 fließt. Zur Vermeidung von Überspannungen über dem weiteren induktiven Speicherelement 51 kann ein Gleichrichterelement, beispielsweise eine Diode, parallel zu dem weiteren Schaltelement 52 geschaltet sein. Dieses Gleichrichterelement ist hierbei so verschaltet, dass es bei geöffnetem weiteren Schalter 52 keinen Stromfluss über die Anschlussklemmen 9+, 9- der Akkumulatoranordnung 9 ermöglicht.
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Der erste Betriebsmodus wird beispielsweise dann angewendet, wenn bei einem Entladevorgang einer oder mehrere Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung bereits weiter entladen wurden, als andere Akkumulatoren. In diesem Fall wird der gesamten Akkumulatoranordnung Energie entnommen, die dann selektiv auf die bereits weiter entladenen Akkumulatoren verteilt wird, um dadurch den Ladezustand der einzelnen Akkumulatoren anzugleichen. Der zweite Betriebsmodus wird beispielsweise nach einem Ladevorgang angewendet, wenn ein Akkumulator bereits weiter aufgeladen ist, als die übrigen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung. In diesem Fall wird dem weiter aufgeladenen Akkumulator gezielt Energie entnommen, die dann auf die gesamte Akkumulatoranordnung verteilt wird.
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Die Auswahl der Betriebsart und die Auswahl der Akkumulatoren, denen selektiv Energie zugeführt oder entnommen werden soll, erfolgt durch die Ansteuerschaltung 3 abhängig von den über den Akkumulatoren 91-9n anliegenden Akkumulatorspannungen V1, V2, V3, Vn. Der Ansteuerschaltung 3 sind hierzu Messsignale M1, M2, M3, Mn zugeführt, die jeweils eine dieser Akkumulatorspannungen V1-Vn repräsentieren. Die einzelnen Messsignale können beispielsweise durch Differenzverstärker bereitgestellt werden, die parallel zu den einzelnen Akkumulatoren 91-9n geschaltet sind, wie dies in 1 für den Akkumulator 91 dargestellt ist. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet hierbei den parallel zu diesem Akkumulator 91 geschalteten Differenzverstärker. Diese Messsignale M1-Mn können selbstverständlich auch auf beliebige andere Weise aus den Akkumulatorspannungen V1-Vn erzeugt werden.
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Bezug nehmend auf 2 stellt die über einem Akkumulator anliegende Spannung ein Maß für den Ladezustand des jeweiligen Akkumulators dar. Die der Ansteuerschaltung 3 zugeführten Messsignale Ml-Mn repräsentieren damit die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren. Die Ansteuerschaltung 3 ist hierbei dazu ausgebildet, anhand dieser Messsignale Ml-Mn die jeweilige Betriebsart für den Ladungsaustausch zwischen den einzelnen Akkumulatoren auszuwählen.
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Mit „Ausgleichszyklus“ wird nachfolgend einer der anhand der 3 und 4 erläuterten Vorgänge bezeichnet, bei dem Energie von der gesamten Vorrichtung selektiv auf einzelne Akkumulatoren übertragen wird oder bei dem Energie selektiv von einzelnen Akkumulatoren auf die gesamte Vorrichtung übertragen wird. Bezüglich der Anzahl der durchzuführenden Ausgleichszyklen, bezüglich der Betriebsart und bezüglich der Auswahl einzelner Akkumulatoren, denen selektiv Energie zugeführt oder entnommen wird, sind verschiedene Strategien denkbar, von denen nachfolgend beispielhaft einige erläutert werden.
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Die Anzahl der durchzuführenden Ansteuerzyklen kann fest vorgegeben sein. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, jeweils so viele Ansteuerzyklen durchzuführen, bis die Ladezustände der einzelnen Akkumulatoren um weniger als ein vorgegebenes Maß voneinander abweichen. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, Ansteuerzyklen so lange zu wiederholen, bis eine Spannungsdifferenz zwischen dem Akkumulator mit dem momentan höchsten Ladezustand und dem Akkumulator mit dem momentan niedrigsten Ladezustand kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert. Diese Strategie kann sowohl bei Ausgleichszyklen der ersten Betriebsart als auch bei Ausgleichszyklen der zweiten Betriebsart angewendet werden.
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Der erste Betriebsmodus wird beispielsweise dann ausgewählt, wenn der Ladezustand eines oder mehrerer Akkumulatoren geringer ist als der Ladezustand der Mehrheit der übrigen Akkumulatoren. Der zweite Betriebsmodus wird beispielsweise dann ausgewählt, wenn der Ladezustand eines oder mehrere Akkumulatoren höher ist als der Ladezustand der Mehrheit der übrigen Akkumulatoren. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, den Betriebsmodus über ein der Ansteuerschaltung 3 zugeführtes externes Signal (nicht dargestellt) vorzugeben. Dieses Signal kann beispielsweise durch die Ladeschaltung 10 erzeugt werden, um am Ende des Ladevorgangs beispielsweise den ersten Betriebsmodus einzustellen und dadurch einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie zu entziehen, oder um am Ende eines Entladevorgangs den zweiten Betriebsmodus einzustellen und dadurch einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie zuzuführen.
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Ein solches externes Signal kann auch abhängig von der Richtung eines zuvor in die oder aus der Akkumulatoranordnung fließenden Stromes erzeugt werden. Ist zuvor ein Strom in die Akkumulatoranordnung geflossen, so wird ein Ladevorgang angenommen und beispielsweise der zweite Betriebsmodus eingestellt. Ist zuvor ein Strom aus der Akkumulatoranordnung geflossen, so wird ein Entladevorgang angenommen und beispielsweise der erste Betriebsmodus eingestellt.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung, bei dem die Ansteuerschaltung 3 lediglich einen Messeingang zur Zuführung eines Messsignals M aufweist. Bei dieser Schaltungsanordnung ist der Messeingang der Ansteuerschaltung 3 an das induktive Speicherelement 11 der parallel zu dem untersten Akkumulator 51 geschalteten ersten Reihenschaltung angeschlossen. Der „unterste Akkumulator“ ist in diesem Zusammenhang der Akkumulator, der an die zweite bzw. negative Anschlussklemme 9- der Akkumulatoranordnung 9 angeschlossen ist. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die negative Anschlussklemme 9- an ein Bezugspotential GND, beispielsweise Masse, angeschlossen ist, und dass die Ansteuerschaltung 3 an dasselbe Bezugspotential GND angeschlossen ist, so dass die in der Ansteuerschaltung 3 vorkommenden Signale (nicht dargestellt) auf dieses Bezugspotential GND bezogen sind. Eine der Ansteuerschaltung 3 über den Messeingang zugeführte, auf Bezugspotential GND bezogene Spannung entspricht dann der Spannung über dem induktiven Speicherelement 11. Die negative Anschlussklemme 9- und die Ansteuerschaltung 3 können auch an unterschiedliche Bezugspotentiale angeschlossen sein. In diesem Fall ist bei der Verarbeitung des der Ansteuerschaltung 3 zugeführten Messsignals ein entsprechender Offset, d. h. eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Bezugspotentialen, zu beachten.
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Die induktive Kopplung der ersten induktiven Speicherelemente 11-ln an das weitere induktive Speicherelement 53 bedingt auch eine gegenseitige induktive Kopplung der ersten induktiven Speicherelemente. Wird einer der ersten Schalter S1-Sn der ersten Reihenschaltungen geschlossen, so liegt über dem induktiven Speicherelement, das an den geschlossenen Schalter angeschlossen ist, eine Spannung an, die der Spannung V1-Vn über dem der Reihenschaltung zugeordneten Akkumulator entspricht. Bedingt durch die induktive Kopplung und den gleichen Wicklungssinn der ersten induktiven Speicherelemente wird diese über dem induktiven Speicherelement des jeweils geschlossenen Schalters anliegende Spannung an die anderen induktiven Speicherelemente, und damit auch an das induktive Speicherelement 11 des untersten Akkumulators 91 übertragen. Die in 5 dargestellte Ansteuerschaltung 3 ist zur Messung der Spannung über einem der Akkumulatoren dazu ausgebildet, den an den jeweiligen Akkumulator angeschlossenen Schalter für eine vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise zwischen 4 µs und 12 µs, zu schließen und die dabei an dem induktiven Speicherelement 11 des untersten Akkumulators 91 anliegende Spannung zu erfassen. Optional ist zwischen dieses induktive Speicherelement 11 und den Messeingang der Ansteuerschaltung 3 ein Tiefpassfilter 42, 43 geschaltet, das dazu dient, während der Schaltvorgänge auftretende Überschwinger, die beispielsweise in parasitären Elementen, z.B. Streuinduktivitäten, entstehen, auszufiltern.
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Zur Messung der Akkumulatorspannungen aller Akkumulatoren ist die Ansteuerschaltung 3 dazu ausgebildet, zeitlich aufeinanderfolgend die ersten Schalter S1-Sn zu schließen und dabei jeweils die über dem induktiven Speicherelement 11 anliegende Spannung zu ermitteln. Die gemessenen Spannungen werden innerhalb der Ansteuerschaltung 3 gespeichert, beispielsweise in einem Register, und die gespeicherten Messwerte werden anschließend ausgewertet, um in oben bereits erläuterter Weise eine der möglichen Betriebsmodi auszuwählen und den Akkumulator oder die Akkumulatoren auszuwählen, denen selektiv Energie zugeführt oder entnommen werden soll.
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Die Schaltelemente 21-2n der ersten Reihenschaltungen können beispielsweise als MOSFET realisiert werden, wie nachfolgend anhand der 6 und 7 erläutert wird. In diesen Figuren steht das Bezugszeichen 2 allgemein für ein beliebiges der ersten Schaltelemente, das Bezugszeichen 9 steht für einen beliebigen der Akkumulatoren und das Bezugszeichen 1 steht für ein beliebiges der ersten induktiven Speicherelemente. 6 veranschaulicht die Verwendung eines p-leitenden MOSFET als Schaltelement, während 7 die Verwendung eines n-leitenden MOSFET veranschaulicht. MOSFET weisen bekanntlich eine Drain-Source-Strecke, die eine Laststrecke bildet, und einen Gate-Anschluss, der einen Ansteueranschluss bildet, auf. Das Leitverhalten der Laststrecke des MOSFET wird dabei bestimmt über ein am Gate-Anschluss anliegendes Ansteuerpotential. Parallel zur Laststrecke weisen herkömmliche MOSFET eine Freilaufdiode D1 auf, die für die in den 6 und 7 dargestellten MOSFET T explizit dargestellt ist. Diese Freilaufdiode D1 ist bei einem p-MOSFET in Sperrrichtung zwischen dessen Source-Anschluss und dessen Drain-Anschluss geschaltet, und bei einem n-MOSFET (7) in Flussrichtung zwischen dessen Source-Anschluss und Drain-Anschluss geschaltet. Um eine Entladung des Akkumulators 9 bei sperrend angesteuertem MOSFET T zu verhindern, ist ein p-leitender MOSFET Bezug nehmend auf 6 zwischen einen Pluspol des Akkumulators und das induktive Speicherelement 1 zu schalten und ein n-MOSFET Bezug nehmend auf 7 zwischen den Minuspol des Akkumulators 9 und das induktive Speicherelement 11 zu schalten, wobei der Source-Anschluss des MOSFET jeweils an den Akkumulator angeschlossen ist. Der Sourceanschluss ist dadurch immer auf einem Gleichspannungspotential, was die Ansteuerung erleichtert.
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Zur Potentialtrennung zwischen der Ansteuerschaltung 3 und dem Gate-Anschluss des MOSFET T ist eine Kapazität C zwischen die Ansteuerschaltung 9 und den Gate-Anschluss des MOSFET T geschaltet. Der in 6 dargestellte selbstsperrende p-MOSFET leitet, wenn ein elektrisches Potential an seinem Gate-Anschluss um den Wert seiner Einsatzspannung unterhalb des elektrischen Potentials am Source-Anschluss liegt. Davon ausgehend, dass der Gate-Anschluss und der Source-Anschluss vor einer Ansteuerung des MOSFET annähernd auf einem gleichen elektrischen Potential liegen, kann dieser p-MOSFET durch einen negativen Ansteuerimpuls des Ansteuersignals S leitend angesteuert werden. Der in 7 dargestellte n-MOSFET leitet bei einem Gatepotential, das um den Wert seiner Einsatzspannung oberhalb des Sourcepotentials liegt. Dieser n-MOSFET kann entsprechend durch einen positiven Ansteuerimpuls des Ansteuersignals S leitend angesteuert werden. Die Ansteuerschaltung 3 ist dazu ausgebildet, negative oder positive Ansteuerimpulse an deren Ansteuerausgängen zur Verfügung zu stellen, und zwar abhängig davon, ob ein p-MOSFET oder ein n-MOSFET an den jeweiligen Ansteuerausgang angeschlossen ist. Die Ansteuerschaltung ist hierbei abhängig von den verwendeten Transistoren entsprechend konfiguriert. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die einzelnen Schaltelemente innerhalb einer Schaltungsanordnung auch unterschiedlich sein können, so können einige der ersten Schalter beispielsweise als n-MOSFET realisiert sein, während andere als p-MOSFET realisiert sein können. Bei der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung, bei der zu Messzwecken die Spannung über dem induktiven Speicherelement 11 des untersten Akkumulators 91 abgegriffen wird, ist der erste Schalter 21 zwischen dem Pluspol 91 und dem induktiven Speicherelement 11 anzuordnen. Dieser Schalter ist beispielsweise als p-MOSFET realisiert, während die übrigen Schalter der Schaltungsanordnung als n-MOSFET realisiert sein können, die dann, entgegen der Darstellung in 5, zwischen den Minuspolen der jeweiligen Akkumulatoren und den zugehörigen induktiven Speicherelementen angeordnet sind.
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Bezug nehmend auf die 6 und 7 ist optional ein Widerstand R zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des MOSFET T geschaltet. Dieser Widerstand R begrenzt die maximale Einschaltdauer des MOSFET T, indem er die Gateelektrode abhängig vom Widerstandswert langsam auf Sourcepotential entlädt. Dieser Widerstandswert R ist dabei so gewählt, dass die maximal mögliche Einschaltdauer größer ist als die während des Betriebs der Schaltungsanordnung üblichen, durch die Ansteuerschaltung 3 vorgegebenen Einschaltdauern. Damit wird eine dauerhafte leitende Ansteuerung bei einem Fehler in der Ansteuerschaltung wirksam verhindert. Weiterhin ist optional ein weiteres Gleichrichterelement D2, beispielsweise eine Diode, zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des MOSFET T geschaltet. Dieses Gleichrichterelement begrenzt das Gatepotential des MOSFET T gegenüber dem Sourcepotential auf einen durch die Charakteristik des Gleichrichterelements vorgegebenen Wert. Bei der in den 6 und 7 dargestellten Diode D2 ist dieser Wert die Durchlassspannung der Diode. Damit wird bei der nächsten Einschaltflanke nahezu der gesamte Spannungshub des Ansteuersignals der Ansteuerschaltung 3 auf das Gate übertragen.
