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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Angleichen der elektrischen
Spannungen von mindestens zwei in Reihe geschalteten, elektrischen
Speichereinheiten. Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechenden
elektrischen Speicher.
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Stand der Technik
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Es
zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen
wie bei Windkraftanlagen als auch in instationären Anwendungen wie bei Fahrzeugen,
beispielsweise bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt neue
Batteriesysteme zum Einsatz kommen, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit
gestellt werden. Hintergrund für
diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batteriesysteme
zu einem Ausfall eines die Anwendung betreffenden Gesamtsystems
oder zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann. Als Beispiel für einen
Ausfall ist ein Elektrofahrzeug denkbar, das bei dem Ausfall seiner
Traktionsbatterie zu einem sogenannten „Liegenbleiber” wird, da
es nicht mehr in der Lage ist, sich weiter fortzubewegen. Als Beispiel
für ein
sicherheitsrelevantes Problem ist eine Windkraftanlage denkbar,
in der elektrische Speicher eingesetzt werden, um bei starker Wind
die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu
schützen.
Ein Ausfall dieser elektrischen Speicher kann dann zu sicherheitsrelevanten
Problemen führen.
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Bei
einem Einsatz vieler einzelner in Reihe geschalteter Speichereinheiten,
wie beispielsweise Batteriezellen, liegt nicht automatisch eine
Gleichheit der einzelnen Speichereinheiten vor. Insbesondere über die
Lebensdauer der Speichereinheiten führt dies ohne entsprechende
Gegenmaßnahmen
zu ungleichen elektrischen Spannungen der einzelnen Speichereinheiten
untereinander. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien führt ein Überladen oder ein Tiefentladen
einzelner Speichereinheiten zu irre versiblen Schäden. Ein derartiges Überladen
oder Tiefentladen kann daraus resultieren, dass ein Batteriemanagementsystem
einen Lade- oder Entladevorgang anhand einer der Speichereinheiten
regelt, die nicht repräsentativ
für alle
Speichereinheiten ist. Aus diesem Grund muss in regelmäßigen Zeitabständen ein
Angleichen der elektrischen Spannungen der elektrischen Speichereinheiten
untereinander erfolgen. Dieses Angleichen wird als „Zell-Balancing” bezeichnet.
Zu diesem Zweck werden die einzelnen Speichereinheiten durch externe
Beschaltungsmaßnahmen
so entladen, dass sie nach dem Angleichen alle die gleiche elektrische
Spannung aufweisen.
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Es
ist bekannt, zu diesem Zweck ein sogenanntes Widerstandsbalancing
durchzuführen.
Zu diesem Zweck ist jeder Speichereinheit ein Ohmscher Widerstand
oder eine Widerstandskombination über Schalter zugeordnet. Die
Speichereinheiten werden solange mittels der Widerstände entladen, bis
die Speichereinheiten die elektrische Spannung aufweisen. Es ist
dabei von Nachteil, dass in dem elektrischen Speicher gespeicherte
Energie durch die Widerstände
in Wärme
umgewandelt und ungenutzt abgeführt
wird, um den gewünschten
Ladungsausgleich zu erreichen. Somit wird eine Möglichkeit benötigt, bei
der ein Angleichen der elektrischen Spannungen mehrerer Speichereinheiten
untereinander mit geringem Energieverlust erreicht wird und eine
wesentliche Verbesserung der Effizienz eines gesamten elektrischen
Speichersystems herbeigeführt
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die eine Speichereinheit mit der Wicklung einer Spule zu deren
Erregung verbunden wird und dass anschließend mittels der erregten Spule
durch Anschließen der
Wicklung an die andere Speichereinheit diese geladen wird. Es ist
vorgesehen, dass dieselbe Wicklung, die zur Erregung der Spule verwendet
wird auch zum Laden der anderen Speichereinheit verwendet wird.
Auf diese Weise wird ermöglicht,
dass die in den Speichereinheiten gespeicherte Energie nicht nur
in Wärme
umgewandelt, sondern von der einen Speichereinheit zu der anderen
Speichereinheit umgeladen wird, sodass die elektrischen Spannungen
der Speichereinheiten untereinander angeglichen werden. Ein Laden
der anderen Speichereinheit ist so zu verstehen, dass die Spule
entregt und durch die auf diese Weise verfügbare elektrische Energie die
andere Speichereinheit weiter geladen wird. Unter dem Laden ist
also nicht ein vollständiges
Aufladen des gesamten elektrischen Speichers zu verstehen, sondern
ein Transport von elektrischer Ladung zum Zwecke des Angleichens
der elektrischen Spannungen zwischen den Speichereinheiten und der Spule.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die eine
Speichereinheit, die mit der Wicklung der Spule zu deren Erregung
verbunden wird, eine höhere
elektrische Spannung aufweist als die Speichereinheit, die durch
Anschließen
der Wicklung anschließend
geladen wird. Durch dieses Vorgehen kann eine Annäherung der
Spannungen von der einen und der anderen Speichereinheit zueinander
erreicht werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Speichereinheiten
jeweils eine Speicherzelle, insbesondere Batteriezelle, verwendet
wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule
durch Schließen
eines Schalters aufgeladen wird. Die Verwendung des Schalters ermöglicht das
gezielte Laden mindestens einer Spule. Auf diese Weise kann gezielt
das Verfahren auf einzelne Speichereinheiten angewendet werden,
ohne dass stets sämtliche
Speichereinheit in das Verfahren einbezogen werden müssen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden
Speichereinheiten benachbart zueinander liegen. Unter einem benachbarten
Zueinanderliegen wird verstanden, dass die Speichereinheiten direkt
in Reihe zueinander geschaltet sind, wobei ein Pluspol einer der
Speichereinheiten mit einem Minuspol der anderen Speichereinheit
direkt über
eine Leitung verbunden ist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder benachbarten
Speichereinheit eine Spule zugeordnet ist. Im Falle mehrer benachbarter
Speichereinheiten ist insbesondere vorgesehen, dass jeder benachbarten
Speichereinheit eine eigene Spule mit einer Wicklung zugeordnet
ist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule
durch Öffnen
des Schalters die andere Speichereinheit auflädt. Durch entsprechende Verschaltung
besteht die Möglichkeit, dass
durch Öffnen
des Schalters das Laden der Spule beendet wird und die Spule durch
Rückinduktion, also
Entregung, die in ihr gespeicherte Energie zur Verfügung stellt.
In diesem Fall gibt die Spule die gespeicherte elektrische Energie
ab, welche von der anderen Speichereinheit, die geladen wird, aufgenommen
wird. Vorteilhaft hierbei ist insbesondere die Kombination aus Schließen des
Schalters zum Laden der Spule und öffnen des Schalters zum Laden der
Speichereinheit, da durch nur zwei Schaltstellungen des Schalters
sowohl das Laden der Spule als auch das Laden der Speichereinheit
in einfacher Weise nacheinander herbeigeführt werden kann.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die andere
Speichereinheit von der Spule über
mindestens eine Diode aufgeladen wird. Dies ist insbesondere dann
vorteilhaft, wenn dadurch der Effekt ausgenutzt wird, dass sich
ein Stromfluss der beim Laden in die Spule hineinfließt umkehrt
und zum Laden der Speichereinheit in umgekehrter Weise aus der Spule
wieder herausfließt. Somit
kann die Spule gleichzeitig mit zwei Speichereinheiten verbunden
sein, wobei das Laden der anderen Speichereinheit davon abhängig ist,
ob die Spule geladen wird oder sich entlädt.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Speicher mit mindestens
zwei in Reihe geschalteten, elektrischen Speichereinheiten und einer elektrischen
Angleichschaltung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen
Verfahrens, wobei die Angleichschaltung mindestens eine eine Wicklung
aufweisende Spule besitzt, deren Wicklung zur Erregung der Spule
mit einer der Speichereinheiten verbindbar ist und die Wicklung
für ein Laden
der anderen Speichereinheiten an diese anschließbar ist.
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Nach
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Speichers ist vorgesehen,
dass die Angleichschaltung mindestens eine Diode und/oder mindestens
einen Schalter aufweist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schalter
als Halbleiterschalter, insbesondere Transistor, Thyristor oder
dergleichen ausgebildet ist. Durch die Verwendung von Halbleiterelementen
wird eine sehr einfache Automatisierung mittels elektronischer Komponenten,
wie beispielsweise integrierten Schaltkreisen, ermöglicht. Zudem
kann auf diese Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung platzsparend
ausgeführt
und auf wirtschaftliche Weise hergestellt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jede der
Speichereinheiten mindestens eine Speicherzelle, insbesondere Batteriezelle,
ist.
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Die
Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
und zwar zeigt:
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1 einen
elektrischen Speicher mit einer Angleichschaltung,
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2 den
Speicher mit der Angleichschaltung aus der 1 in einem
ersten Verfahrensschritt und
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3 den
Speicher mit der Angleichschaltung aus der 1 in einem
zweiten Verfahrensschritt.
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Die 1 zeigt
ausschnittsweise einen elektrischen Speicher 101 bestehend
aus drei Speichereinheiten 102 in Form von Speicherzellen 103,
welche benachbart zueinander in Reihe geschaltet sind. Der elektrische
Speicher 101 ist als Batterie 104 ausgeführt und
die Speicherzellen 103 sind als Batteriezellen 105 ausgeführt. Die
Speichereinheiten 102 bilden den elektrischen Speicher 101 dadurch,
dass eine erste Speichereinheit 106 über ihren Minuspol 106'' und eine Leitung 107 mit
einem Knotenpunkt 108 verbunden ist, welcher über eine
Leitung 109 zu einem Pluspol 110' einer zweiten Speichereinheit 110 führt. Die
zweite Speichereinheit 110 ist ihrerseits über ihren
Minuspol 110'' und eine Leitung 111 mit
einem Knotenpunkt 112 verbunden, der über eine Leitung 113 zu
einem Pluspol 114' einer
dritten Speichereinheit 114 führt. Dem Speicher 101 ist
eine Angleichschaltung 115 zugeordnet, die in der 1 ausschnittsweise
dargestellt ist. Die Angleichschaltung 115 ist über eine
Leitung 116 mit einem Pluspol 106' der ersten Speichereinheit 106 verbunden.
Weiter ist sie über
eine Leitung 117 mit dem Knotenpunkt 108, über eine
Leitung 118 mit dem Knotenpunkt 112 und über eine
Leitung 119 mit einem Minuspol 114'' der
dritten Speichereinheit 114 verbunden. Die Angleichschaltung 115 weist
mehrere elektrische Spulen 121 mit jeweils einer Wicklung 120 auf.
Ferner besitzt die Angleichschaltung 115 Dioden 122 und Schalter 123.
Die Leitung 116 ist über
einen Knotenpunkt 124 mit einer weiteren Leitung 125 verbunden, die
zu einer ersten Wicklung 126 führt. Die erste Wicklung 126 ist über eine
Leitung 127 mit einem Knotenpunkt 128 verbunden,
welcher eine weitere Leitung 129 aufweist, die zu einem
ersten Schalter 130 führt.
Ausgehend von dem ersten Schalter 130 verläuft eine
Leitung 131 zu einem Knotenpunkt 132. Vom Knotenpunkt 132 verläuft eine
Leitung 133 zu einem weiteren Knotenpunkt 134,
der seinerseits über eine
Leitung 135 mit einer zweiten Wicklung 136 verbunden
ist. Die zweite Wicklung 136 ist über eine Leitung 137 mit
einem Knotenpunkt 138 verbunden, welche über eine
Leitung 139 mit einem weiteren Knotenpunkt 140 zusammengeschlossen
ist. Der Knotenpunkt 140 ist zudem an die Leitung 117 angeschlossen. Über eine
Leitung 141 ist eine erste Diode 142 an den Knotenpunkt 140 angeschlossen.
Die Diode 142 ist zudem über eine Leitung 143 mit
dem Knotenpunkt 128 verbunden. Die Diode 142 ist
dabei derart zwischen den Leitungen 141 und 143 angeordnet,
dass sie eine Durchlassrichtung von der Leitung 141 zu
der Leitung 143 besitzt. Der Knotenpunkt 134 ist über eine
Leitung 144 mit einer zweiten Diode 145 verbunden,
die ihrerseits über
eine Leitung 146 mit dem Knotenpunkt 124 verbunden
ist. Die zweite Diode 145 besitzt eine Durchlassrichtung
von der Leitung 144 zu der Leitung 146. Ausgehend
von Knotenpunkt 132 verläuft eine weitere Leitung 149,
die zu einem zweiten Schalter 150 führt. Ausgehend von dem Schalter 150 verläuft eine
Leitung 151 zu einem Knotenpunkt 152. Vom Knotenpunkt 152 verläuft eine Leitung 153 zu
einem weiteren Knotenpunkt 154, der seinerseits über eine
Leitung 155 mit einer dritten Wicklung 156 verbunden
ist. Die Wicklung 156 ist über eine Leitung 157 mit
einem Knotenpunkt 158 verbunden, welche über eine
Leitung 159 mit einem weiteren Knotenpunkt 160 zusammengeschlossen ist.
Der Knotenpunkt 160 ist zudem an der Leitung 118 angeschlossen. Über eine
Leitung 161 ist eine dritte Diode 162 an den Knotenpunkt 160 angeschlossen.
Die Diode 162 ist zudem über eine Leitung 163 mit
dem Knotenpunkt 134 verbunden. Die Diode 162 ist
dabei derart zwischen den Leitungen 161 und 163 angeordnet,
dass sie eine Durchlassrichtung von der Leitung 161 zu
der Leitung 163 besitzt. Der Knotenpunkt 154 ist über eine
Leitung 164 mit einer vierten Diode 165 verbunden,
die ihrerseits über
eine Leitung 166 mit dem Knotenpunkt 138 verbunden
ist. Die vierte Diode 165 besitzt eine Durchlassrichtung
von der Leitung 164 zu der Leitung 166. Ausgehend
vom Knotenpunkt 152 verläuft eine weitere Leitung 169,
die zu einem dritten Schalter 170 führt. Ausgehend von dem Schalter 170 verläuft eine Leitung 171 zu
einem Knotenpunkt 174. Der Knotenpunkt 174 ist
seinerseits über
eine Leitung 175 mit einer vierten Wicklung 176 verbunden.
Die Wicklung 176 ist über
eine Leitung 177 mit einem Knotenpunkt 180 verbunden.
Der Knotenpunkt 180 ist zudem an die Leitung 119 angeschlossen. Über eine
Leitung 181 ist eine fünfte
Diode 182 an den Knotenpunkt 180 angeschlossen.
Die Diode 182 ist zudem über eine Leitung 183 mit
dem Knotenpunkt 154 verbunden. Die Diode 182 ist
dabei derart zwischen den Leitungen 181 und 183 angeordnet,
dass sie eine Durchlassrichtung von der Leitung 181 zu
der Leitung 183 besitzt. Der Knotenpunkt 174 ist über eine
Leitung 184 mit einer sechsten Diode 185 verbunden, die
ihrerseits über
eine Leitung 186 mit dem Knotenpunkt 158 verbunden
ist. Die sechste Diode 185 besitzt eine Durchlassrichtung
von der Leitung 184 zu der Leitung 186. Die Schalter 123 sind
einer elektronischen Steuereinheit 190 zugeordnet. Sie
sind zu diesem Zweck als Halbleiterschalter 191 in Form
von Transistoren 192 ausgeführt, sodass die Steuereinheit 190 einen
integrierten Schaltkreis 193 bildet. Gestrichelte Linien 179 zeigen
an, dass sowohl der elektrische Speicher 101 als auch die
Angleichschaltung 115 in Richtung der Linien 179 logisch
weitergeführt ist.
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Die 2 zeigt
den elektrischen Speicher 101 und die Angleichschaltung 115 der 1 mit
all ihren Merkmalen. Im Unterschied zu 1 ist der zweite
Schalter 150 in 2 geschlossen, um einen ersten
Verfahrensschritt durchzuführen.
Zudem weist die Speichereinheit 110 eine höhere Spannung
auf, als die anderen Speichereinheiten 106 und 114.
Daraus ergibt sich ein geschlossener Stromkreis 195 für die zweite
Speichereinheit 110, die zweite Wicklung 136 und
die dritte Wicklung 156. Der Stromkreis 195 ist
in 2 fett dargestellt und mit Stromrichtungspfeilen 196 versehen.
Der Stromkreis 195 verläuft von
dem Pluspol 110' der
zweiten Speichereinheit 110 über die Leitung 109 und
weiter über
die Leitung 117 zum Knotenpunkt 140, sodass mittels
der Leitungen 137 und 139 die Spule 121 der
zweiten Wicklung 136 geladen wird. Weiter verläuft der
Stromkreis 195 über
die Leitungen 135, 133 und 149 zu dem
geschlossenen zweiten Schalter 150. Er setzt sich fort über die
Leitungen 151, 153 und 154 zu der dritten Wicklung 156.
Ausgehend von der dritten Wicklung 156 schließt sich
der Stromkreis 195 über
die Leitungen 157, 159, 118 und 111 zu
dem Minuspol 110'' der zweiten
Speichereinheit 110. Mittels des genannten geschlossenen
Stromkreises 195 wird Ladung in die zweite und dritte Wicklung 136 und 156 übertragen und
dort gespeichert. Das Schließen
des zweiten Schalters 150 erfolgt durch die Steuereinheit 190.
Es ist vorgesehen, dass jede Speichereinheit 102 zwei Wicklungen 120 belädt. Durch
Schließen
des Schalters 150 wird der Stromkreis 195 geschlossen
und nach einer bestimmten Zeit oder nach Erreichen eines bestimmten
Stromniveaus, welches durch den Schalter 150 geflossen
ist, wieder geöffnet.
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Die 3 zeigt
den Speicher 101 und die Angleichschaltung 115 der 1 mit
all ihren Merkmalen. Die Schalter 123 sind alle für einen
zweiten Verfahrensschritt geöffnet
und die der ersten Wicklung 136 und der zweiten Wicklung 156 zugeordneten
Spulen 121 sind erregt. Aufgrund dessen ergeben sich zwei
Stromkreise 197 und 198, wobei der Stromkreis 197 der
ersten Speichereinheit 106 und der zweite Stromkreis 198 der
dritten Speichereinheit 114 zugeordnet ist. Der Stromkreis 197 verläuft ausgehend
von der zweiten Wicklung 136 über die Leitungen 135 und 144 zur
zweiten Diode 145. Ausgehend von der zweiten Diode 145 verläuft der
Stromkreis 197 weiter über
die Leitungen 146 und 116 in den Pluspol 106' der ersten
Speichereinheit 106. Ausgehend von dem Minuspol 106'' der Speichereinheit 106 verläuft der
Stromkreis 197 über
die Leitungen 107, 117, 139 und 138 zurück zur zweiten
Wicklung 136. Der Stromkreis 198 geht aus von
der dritten Wicklung 156, die über die Leitungen 157, 159, 118 und 113 mit
dem Pluspol 114' der
dritten Speichereinheit 114 verbunden ist. Ausgehend von
dem Minuspol 114'' der dritten
Speichereinheit 114 ist die fünfte Diode 182 über die
Leitungen 119 und 181 verbunden, so dass ausgehend
von der Diode 182 über
Leitung 183 und 155 der Stromkreis 198 geschlossen wird.
Innerhalb der Stromkreise 197 und 198 sind die jeweiligen
Stromrichtungen mittels Stromrichtungspfeilen 196 dargestellt.
Die Stromrichtungen laufen dabei in diejenigen Richtungen, die den
Durchlassrichtungen der zweiten Diode 145 und der fünften Diode 182 entsprechen. Über die
Stromkreise 197 und 198 können sich die Spulen 121 der
Wicklungen 136 und 156 entregen, das heißt, ihre
Ladung abgeben, welche in die entsprechenden Speichereinheiten 106 und 114 fließen und
diese dadurch weiter beladen. Zu diesem Zweck ist es nicht notwendig,
weitere Steuermittel für
den zweiten Verfahrensschritt einzusetzen, da dieser Vorgang aufgrund
der dargestellten Angleichschaltung automatisch erfolgt.
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Die
dargestellten Verfahrensschritte der 2 und 3 beschreiben
die Möglichkeit
die erste Speichereinheit 106 und die dritte Speichereinheit 114 mit
elektrischer Ladung aus der zweiten Speichereinheit 110 zu
laden. Dieser Vorgang ist sehr energieeffizient, da elektrische
Ladungen zwischen den Speichereinheiten 102 umgeladen werden.