DE102009015388A1

DE102009015388A1 - Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen Zellen

Info

Publication number: DE102009015388A1
Application number: DE200910015388
Authority: DE
Inventors: Felix Dr. Franck; Markus Heckmann
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-09-30
Also published as: WO2010108758A1

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen mindestens zwei Zellen angegeben, bei der die mindestens zwei Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind und bei der für je zwei Zellen ein Wandler vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ausgleich ungleicher Ladezustände von Energiespeichern oder Spannungsquellen, z. B. Akkuzellen in Akkus.
Die Energiespeicher werden auch als Zellen bezeichnet. Die Zellen sind insbesondere in einer Reihenschaltung miteinander verbunden.
Ohne Zugänge zu Mittelknoten und ohne eine entsprechende Beschaltung können die Ladezustände der einzelnen Zellen nicht beeinflusst, insbesondere nicht effizient gegenseitig ausgeglichen werden, was zu einer deutlich reduzierten Zyklenfestigkeit und zu einer geringen nutzbaren Entladungstiefe der Zellen führt. Hieraus resultiert, dass die Reihenschaltung aus mehreren Zellen nur so stark ist wie deren schwächste Zelle.
1 zeigt ein Blockschaltbild mit zwei in Reihe geschalteten Zellen 101 und 102, wobei anhand der gezeigten Schaltung Energie aus der Zelle 101 in die Zelle 102 transferiert werden kann.
Die Schaltung gemäß 1 hat einen Anschluss 109 (positiver Pol) sowie einen Anschluss 111 (negativer Pol) und einen Mittenabgriff 110. Der Anschluss 109 ist mit der Kathode einer Diode 106 verbunden, deren Anode mit der Kathode einer Diode 105 verbunden ist. Parallel zu der Diode 105 ist ein elektronischer Schalter 103 angeordnet, der über eine Ansteuereinheit 104 aktivierbar ist. Der Knoten zwischen den Dioden 105 und 106 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 107 und einer Spule 108 mit dem Mittenabgriff 110 verbunden, wobei der Widerstand 107 mindestens einen Ersatzserienwiderstand für die gesamte Schaltung, insbesondere für die Spule 108, umfassen kann. Die Zelle 101 liegt zwischen dem Anschluss 111 und dem Mittenabgriff 110 und die Zelle 102 liegt zwischen dem Mittenabgriff 110 und dem Anschluss 109.
Diese in 1 gezeigte Schaltung weist die Nachteile auf, dass durch die Diode 106 Verluste entstehen und dass nur eine Energierichtung berücksichtigt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Möglichkeit zu schaffen, unterschiedliche Ladezustände zwischen Zellen auszugleichen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen mindestens zwei Zellen angegeben,

– bei der die mindestens zwei Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind;
– bei der für je zwei Zellen ein Wandler vorgesehen ist.

Anhand des (mindestens einen) Wandlers können unterschiedliche Ladezustände der Zellen effizient ausgeglichen werden. Der Wandler ermöglicht eine richtungsunabhängige Verschiebung von elektrischer Energie zwischen den Zellen. Somit kann automatisch ein Ladezustand der schwächsten Zelle der Reihenschaltung aus mehreren Zellen ausgeglichen werden und somit die Performanz der gesamten Zellanordnung deutlich gesteigert werden.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Zelle mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:

– Einen Energiespeicher;
– einen Akkumulator;
– eine Akkumulatorzelle;
– einen Kondensator;
– eine Solarzelle.

Die Zelle kann auch als eine Spannungsquelle, z. B. eine Batterie, ausgestaltet sein oder mindestens eine solche umfassen.
Eine Zelle kann insbesondere eine Parallelschaltung mehrerer Akkus umfassen, wobei auch eine Zusammenschaltung von Energiespeichern (z. B. Akkus) als Zelle aufgefasst werden kann. Insbesondere kann eine Zelle mehrere wiederaufladbare 12 V-Blöcke umfassen. Teile der Zellen können in Reihe und/oder parallel geschaltet sein.
Insbesondere ist es möglich, dass die Zellen zumindest teilweise unterschiedliche Spannungen und/oder Kapazitäten aufweisen. Dem könnte z. B. mittels asymmetrischer Duty-Cycles begegnet werden (siehe mehr dazu weiter unten).
Es ist ausdrücklich angemerkt, dass die Spannungen oder Ladungen der einzelnen Zellen einer Kette nicht unbedingt gleich, sondern auch der Zelle angepasst sein können. Insoweit können die Spannungen oder Landungen unterschiedlicher Zellen durchaus verschieden voneinander sein. Somit ermöglicht der hier vorgeschlagene Ansatz, Ladungen oder Spannungen einzelner Zellen auszugleichen.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass parallel zu der Zelle ein Kondensator angeordnet ist.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Wandler ein Wandler mit einer Hochsetzfunktionalität und mit einer Tiefsetzfunktionalität, insbesondere ein symmetrischer Wandler, ist. Der Wandler kann einen elektronischen Leistungsschalter umfassen, der hier auch als (elektronischer) Schalter bezeichnet wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass

– der Wandler zwei elektronische Schalter parallel zu den Zellen aufweist, wobei parallel zu jedem Schalter eine Diode angeordnet ist, deren Kathode in Richtung des positiven Pols der Schaltungsanordnung ausgerichtet ist, wobei – parallel zu den beiden Schaltern ein Kondensator und/oder in einem Zweig in Richtung der Außenpole der Zellen je eine Induktivität in Reihe mit den beiden elektronischen Schaltern, wobei die Induktivitäten optional gekoppelt sind, angeordnet ist oder – in einem Zweig in Richtung eines Mittenabgriffs der Zellen eine Induktivität angeordnet ist.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der elektronische Schalter mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:

– Einen elektronischen Leistungsschalter;
– einen Transistor;
– einen Mosfet;
– einen IGBT.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung sind die elektronischen Schalter des Wandlers abwechselnd für eine vorgegebene Zeitdauer, insbesondere mit einem Duty-Cycle von (im Wesentlichen oder genau je) 50% ansteuerbar.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die elektronischen Schalter mit einem asymmetrischen Duty-Cycle ansteuerbar sind.
Insbesondere kann eine Gruppe von ersten Schaltern in einem ersten Zeitintervall für eine erste Zeitdauer aktivierbar sein und eine Gruppe von zweiten Schaltern kann in einem zweiten Zeitintervall für eine zweite Zeitdauer aktivierbar sein. Entsprechend ergänzen sich die erste Zeitdauer und die zweite Zeitdauer zu einem Zeitintervall. Entsprechend ist dieser Ansatz für eine beliebige Anzahl m Gruppen von Schaltern möglich. Jede der m Gruppen kann eine unterschiedliche Anzahl von Schaltern aufweisen.
Eine Ausgestaltung ist es, dass der Wandler eine der folgenden Komponenten umfasst:

– Eine Halbbrückenschaltung;
– einen Flyback-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
– einen Cuk-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
– einen Cuk-Wandler, insbesondere mit gekoppelten Induktivitäten und/oder einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass mehrere Wandler vorgesehen sind, wobei zumindest teilweise eine Zelle von mehreren Wandlern ansteuerbar ist.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass mehrere Wandler teilweise überlappend und/oder umgreifend für die mindestens zwei Zellen angeordnet sind.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die mehreren Wandler abwechselnd ansteuerbar sind.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass ein Energieausgleich zwischen den mindestens zwei Zellen zeitweise deaktivierbar ist.
Hierdurch ist es möglich, dass zeitweise die Schaltungsanordnung in einem energiesparenden Modus betrieben wird, d. h. dass nur zeitweise (ggf. iterativ mit vorgebbarem Zeitabstand) ein Energieausgleich durchgeführt wird. Dementsprechend kann der Energieausgleich für eine vorgegebene Zeitdauer aktivierbar sein.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Leuchtsystem umfassend

– mindestens ein Leuchtmittel oder mindestens eine Lampe, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode,
– die Schaltungsanordnung wie hierin beschrieben zur Versorgung des mindestens einen Leuchtmittels oder der mindestens einen Lampe mit elektrischer Energie.

Insbesondere können die Zellen als Bleiakkuzellen, Nicke-Metallhydrid-Zellen, Nickel-Kadmium-Zellen, Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen und/oder Lithium-Titanal-Zellen ausgeführt sein. Auch können unterschiedliche Zellentypen kombiniert eingesetzt werden.
Auch wird die vorstehende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung der hier beschriebenen Schaltungsanordnung umfassend eine Ansteuereinheit, anhand derer der mindestens eine Wandler aktiviert bzw. deaktiviert wird.
Insbesondere werden mittels der Ansteuereinheit die elektronischen Schalter des mindestens einen Wandlers entsprechend angesteuert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
2 eine Schaltungsanordnung für eine mögliche Realisierung eines Energieausgleichs zwischen zwei Zellen mittels einer synchronen Halbbrücke;
3 ein weiteres Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Flyback-Wandlers;
4 ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk-Wandlers;
5 ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk-Wandlers mit gekoppelten Induktivitäten;
6 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen drei in Reihe geschalteten Zellen, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator angeordnet ist;
7 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen vier in Reihe geschalteten Zellen, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator angeordnet ist;
8 eine alternative Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen vier in Reihe geschalteten Zellen;
9 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator angeordnet ist;
10 eine alternative Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen;
11 eine weitere Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen;
12 eine zusätzliche Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen;
13 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen mit einem umgreifenden Cuk-Wandler.
Beispielsweise wird vorgeschlagen, eine synchron gleichrichtende Halbbrücke mit einer Drossel für einen äußerst verlustarmen Ladungsausgleich einzusetzen. Aus der stärkeren Zelle wird Energie entnommen und in die schwächere Zelle transferiert. Es gibt hierbei keine Energie-Vorzugsrichtung.
Grundsätzlich ist zum Energieausgleich zwischen Zellen mindestens ein Wandler (auch: Zellwandler) einsetzbar, der sowohl eine Hochsetzfunktionalität als auch eine Tiefsetzfunktionalität aufweist. Insbesondere kann ein Zwei-Quadrantenwandler eingesetzt werden. Der Wandler ist vorzugsweise symmetrisch.
Als Wandler kann mindestens eine der folgenden Komponenten eingesetzt werden:

– Eine Halbbrücke;
– ein Flyback-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
– ein Cuk-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
– ein Cuk-Wandler, insbesondere mit gekoppelten Induktivitäten und/oder einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter.

Insbesondere können die vorstehenden Komponenten miteinander kombiniert werden.
Die Zellen sind miteinander in Reihe geschaltet. Hierbei kann jedweder Energiespeicher als Zelle verwendet werden, z. B. eine Akkumulatorzelle oder ein Kondensator. Auch ist es möglich, dass eine wiederaufladbare Batterie mit einem parallel geschalteten Kondensator als Zelle eingesetzt wird.
2 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine mögliche Realisierung des Energieausgleichs zwischen zwei Zellen 201, 202 mittels einer synchronen Halbbrücke.
Die Schaltung gemäß 2 hat einen Anschluss 209 (positiver Pol) sowie einen Anschluss 211 (negativer Pol) und einen Mittenabgriff 210. Der Anschluss 209 ist mit der Kathode einer Diode 206 verbunden, deren Anode mit der Kathode einer Diode 205 verbunden ist. Parallel zu der Diode 205 ist ein elektronischer Schalter 203 und parallel zu der Diode 206 ist ein elektronischer Schalter 212 angeordnet. Die elektronischen Schalter 203 und 212 sind über eine Ansteuereinheit 204 aktivierbar. Der Knoten zwischen den Dioden 205 und 206 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 207 und einer Spule 208 mit dem Mittenabgriff 210 verbunden, wobei der Widerstand 207 mindestens einen Ersatzserienwiderstand für die gesamte Schaltung, insbesondere für die Spule 208, umfassen kann. Die Zelle 201 liegt zwischen dem Anschluss 211 und dem Mittenabgriff 210 und die Zelle 202 liegt zwischen dem Mittenabgriff 210 und dem Anschluss 209.
Hierbei sei angemerkt, dass es sich bei dem elektronischen Schalter um jedweden ansteuerbaren Schalter, z. B. Transistor, Mosfet, IGBT, etc., handeln kann.
3 zeigt ein weiteres Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Flyback-Wandlers.
Die Schaltung gemäß 3 weist zwei Zellen Z1, Z2 auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der positive Anschluss der Zelle Z2 ist mit einem Anschluss Z2p, der negative Anschluss der Zelle Z1 ist mit einem Anschluss Z1m und ein Mittenabgriff zwischen den Zellen Z1, Z2 ist mit einem Anschluss Zmid verbunden.
Der Anschluss Z2p ist über eine Induktivität L2 mit der Kathode einer Diode D2 verbunden. Die Anode der Diode D2 ist mit dem Anschluss Zmid und mit der Kathode einer Diode D1 verbunden. Die Anode der Diode D1 ist über eine Induktivität L1 mit dem Anschluss Z1m verbunden. Die Induktivität L1 und die Induktivität L2 sind miteinander gekoppelt. Um eine Vergleichmässigung der Spannungen oder Ladungen in den angeschlossenen beiden Zellen zu erreichen, kann besonders vorteilhaft das Windungsverhältnis in dieser gekoppelten Induktivität 1:1 betragen, d. h. die Induktivitäten L1 und L2 für sich genommen sind jeweils von gleicher Windungszahl und haben damit (andere Toleranzen insbesondere solche des Kerns vernachlässigt) den gleichen Induktivitätswert.
Parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2 und parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1 vorgesehen. Beide elektronischen Schalter S1, S2 sind mittels einer Ansteuereinheit (nicht dargestellt) (de)aktivierbar.
4 zeigt ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk-Wandlers.
Die Schaltung gemäß 4 weist zwei Zellen Z1, Z2 auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der positive Anschluss der Zelle Z2 ist mit einem Anschluss Z2p, der negative Anschluss der Zelle Z1 ist mit einem Anschluss Z1m und ein Mittenabgriff zwischen den Zellen Z1, Z2 ist mit einem Anschluss Zmid verbunden.
Analog zum oben beschriebenen synchronen Flyback-Wandler haben auch hier die beiden Induktivitäten L1 und L2 in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform jeweils einen (im wesentlich) gleichen Induktivitätswert.
Der Anschluss Z2p ist über eine Induktivität L2 mit der Kathode einer Diode D2 verbunden. Die Anode der Diode D2 ist mit dem Anschluss Zmid und mit der Kathode einer Diode D1 verbunden. Die Anode der Diode D1 ist über eine Induktivität L1 mit dem Anschluss Z1m verbunden.
Parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2 und parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1 vorgesehen. Beide elektronischen Schalter S1, S2 sind mittels einer Ansteuereinheit (nicht dargestellt) (de)aktivierbar.
Zur Energieübertragung zwischen den beiden Zellen Z1 und Z2 ist zwischen der Kathode der Diode D2 und der Anode der Diode D1 der für einen Cuk-Wandler typische Kondensator C_cuk geschaltet. Sein Wert ist vorzugsweise so bemessen, dass die sich aus ihm und der Summe der beiden Werte der Induktivitäten L1 und L2 ergebende Resonanzfrequenz deutlich unterhalb der Taktfrequenz liegt, mit der die beiden elektronischen Schalter S1 und S2 ansteuerbar sind.
Im Gegensatz zu dem Wert für den Kondensator C_cuk aus 4 ist der Wert eines Kondensators C_cuk gemäß 5 so zu bemessen, dass die sich aus ihm und der Streuinduktivität zwischen den Induktivitäten L1 und L2 ergebende Resonanzfrequenz deutlich unterhalb der Taktfrequenz liegt, mit der die beiden elektronischen Schalter S1 und S2 ansteuerbar sind.
5 zeigt ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk-Wandlers mit gekoppelten Induktivitäten.
Die Schaltung gemäß 5 basiert auf der in 4 gezeigten Schaltung, nur sind in 5 die Induktivität L1 und die Induktivität L2 miteinander gekoppelt.
Vorzugsweise können die dargestellten Schaltungstopologien (Halbbrücke, Flyback-Wandler, Cuk-Wandler mit gekoppelten Induktivitäten, Cuk-Wandler ohne gekoppelte Induktivitäten) mit einem konstanten Duty-Cycle angesteuert werden. Dies bedeutet, dass die elektronischen Schalter abwechselnd für eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert werden. Beispielhaft können die elektronischen Schalter wechselseitig aktiv sein (50%/50%-Duty-Cycle).
Hierbei sei angemerkt, dass auch andere Schaltverhältnisse einstellbar sind und insbesondere ein symmetrischer oder ein asymmetrischer Duty-Cycle realisiert sein kann. Insbesondere kann bei unterschiedlich dimensionierten Zellen ein asymmetrischer Duty-Cycle vorteilhaft sein.
In allen bisher genannten Ansteuerverfahren wird die weiter oben schon beschriebene Taktfrequenz durch die Periodendauer bestimmt, die zwischen einem erstem und einem erneuten Aktivieren des ersten elektronischen Schalters nach genau einer zwischenzeitlicher Deaktivierung verstreicht. Besagte Taktfrequenz liegt in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform oberhalb der menschlichen Hörschwelle und zwecks besserer Einhaltung der Grenzwerte für die Funkstörung unterhalb von 50 kHz.
Beim Ansteuerverfahren ”Duty-Cycle” ist besagte Periodendauer annähernd vollständig von Aktivierungsphasen des 1.(, 3., 5., ...) elektronischen Schalters (bei gleichzeitiger Deaktivierung des 2.(, 4., 6., ...) elektronischen Schalters) und von Aktivierungsphasen des 2.(, 4., 6., ...) elektronischen Schalters (bei gleichzeitiger Deaktivierung des 1.(, 3., 5., ...) elektronischen Schalters) ausgefüllt.
Zur Minimierung von Umschaltverlusten in den einzelnen elektronischen Schaltern kann es vorteilhaft sein, zwischen jede einzelne Aktivierungsphase eine sogenannte Umschwingphase einzufügen, in der kein einziger der vorhandenen elektronischen Schalter aktiviert ist. Hierdurch kann ein sogenanntes ”Zero Voltage Switching” erreicht werden, bei dem der/die folgende(n) Schalter erst dann aktiviert werden, wenn die Spannung über ihm/ihnen zu Null abgeschwungen ist, was insbesondere bei kleinen Ladungsasymmetrien leicht erreichbar ist. Daraus ergeben sich pro Periode zwei Aktivierungsphasen und zwei Umschwingphasen, deren Gesamtdauer beispielsweise 10% der Periodendauer nicht überschreitet.
Ein ”50%-50%-Duty-Cycle” oder ein ”Symmetrischer Duty-Cycle” bedeutet insbesondere, dass beide einzelnen Aktivierungsphasen einer Periode durchaus < 50% der Periodendauer ausmachen können, allerdings die beiden Aktivierungsphasen gleiche Zeitdauer aufweisen. Ein ”Asymmetrischer Duty-Cycle” hingegen zeigt unterschiedlich lange Aktivierungsphasen an.
Bei allen hier vorgestellten Ausführungsformen sowie bei allen weiteren davon ableitbaren Wandlerformen ist daneben auch ein Ansteuerverfahren nach dem PWM-Prinzip möglich: Die oben beschriebenen Umschwingphasen werden verlängert, gleichmäßig oder auch ungleichmäßig, und die Aktivierungsphasen werden entsprechend verkürzt.
Schließlich kann sich unabhängig vom gewählten Ansteuerverfahren die Taktfrequenz kontinuierlich oder sprunghaft beispielsweise in dem Frequenzband ändern, welches weiter oben bereits als vorteilhaft genannt ist.
Hierbei ist es von Vorteil, dass die Ladungs- und/oder Spannungszustände von zwei oder auch mehr Zellen mit minimalen Verlusten ausgeglichen werden können. Der hier vorgeschlagene Ansatz ist skalierbar für eine beliebige Zellenzahl. Bei mehr als zwei Wandlern wechseln sich die einzelnen Wandler bzw. Halbbrücken in der Ansteuerung ab. Alternativ kann ein hiervon unterschiedliches Ansteuerverfahren gewählt werden, wobei wechselseitig immer jeder zweite Schalter aktiviert wird.
Besonders vorteilhaft kann der hier vorgeschlagene Ansatz in akkubetriebenen LED-Beleuchtungssystemen eingesetzt werden, die mit zwei (oder mehreren) Bleiakkuzellen versorgt werden.
Im Falle einer Ansteuerung der Schaltungstopologien mit einem konstanten Duty-Cycle von 50% ergibt sich ein mittlerer Ausgleichsstrom zu
wobei R_L einen Ersatzwiderstand der zu ihm in Serie angeordneten Induktivität und R_dsON einen Restwiderstand eines aktivierten elektronischen Schalters, z. B. eines MOSFET-Transistors, bezeichnen.
Ein Strom-Ripple lässt sich durch eine entsprechend Wahl der Induktivitäten einstellen. Insbesondere können Duty-Cyles nahe 50% eingesetzt werden. Dies erlaubt eine vereinfachte gegenläufige Ansteuerung beider Schalter.
Alternativ kann über zwei Widerstände ein unabhängiger Spannungssollwert generiert werden und ein Soll-Istwert-Vergleich den Duty-Cycle der Ansteuerung nachregeln.
Für vielzellige Systeme lässt sich eine Ansteuerung für n Zellen mit n Sollwerten ableiten, die anders als bei der einfachen Kaskadierung, für n Zellen nicht n – 1 Halbbrücken, sondern nur n/2 Halbbrücken erfordert.
Eine andere Art der Kaskadierung mit insgesamt auch nur n/2 Halbbrücken, also mit n Schaltern für n Zellen, ergibt sich, wenn jeweils zwischen direkt benachbarten Halbbrücken ein Flyback-Wandler, ein Cuk-Wandler oder ein Cuk-Wandler mit gekoppelten Induktivitäten eingefügt wird.
In diesem Fall reicht zum Energieausgleich zwischen n > 2 Zellen mit beliebiger Energieflussrichtung der 50%-50%-Duty-Cycle. Die Schalter werden in diesem Fall nach einem Zebramuster abwechselnd angesteuert, d. h. zuerst sind die ungeradzahligen Schalter S1, S3, S5, ... aktiv, dann die geradzahligen Schalter S2, S4, S6, ...
Hierbei ist bevorzugt jeder zweite Wandler in Form einer Schaltstufe als eine Halbbrücke ausgeführt. Zusätzlich können die Schalter von den jeweils angrenzenden Wandlern oder Schaltstufen gemeinsam genutzt werden, d. h. jeder Wandler teilt sich einen seiner Schalter mit dem jeweils in Richtung des Schalters benachbarten Wandler.
Vorteilhaft können ein ”umgreifender” Cuk-Wandler oder ein ”umgreifender” Flyback-Wandler eingesetzt werden, wobei ein oberstes UND ein unterstes betrachtetes Spannungsniveau (mit einem Unterschied von mehr als zwei Zellen) jeweils mit einer Induktivität besetzt sind, sofern diese beiden Induktivitäten miteinander gekoppelt sind und ggf. die beiden (bewegten) Spannungsniveaus über einen Cuk-Kondensator zwischen dem obersten und dem untersten Spannungsniveau verbunden sind.
6 zeigt eine Schaltung mit drei in Reihe geschalteten Zellen Z1, Z2, Z3, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1, C2, C3 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z3 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1 und die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist über eine Induktivität L1 mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2 und parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3 vorgesehen.
Die Anode der Diode D3 ist weiterhin über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten K1 verbunden. Weiterhin ist entweder parallel zu den Dioden D1 und D2 ein Kondensator Ck1 vorgesehen (Cuk-Kondensator) oder die Induktivitäten L1 und L2 sind miteinander gekoppelt. Es ist auch möglich, dass sowohl der Kondensator Ck1 als auch die Kopplung zwischen den Induktivitäten L1 und L2 vorgesehen sind.
Somit zeigt 6 eine Halbbrücke 602 umfassend die Schalter S2 und S3 und einen Cuk-Wandler 601 mit den Schaltern S1 und S2. Falls der Kondensator Ck1 entfällt, handelt es sich hierbei um einen Flyback-Wandler 601. Vorzugsweise werden die Schalter S1 und S3 synchron angesteuert und der Schalter S2 wird dann angesteuert, wenn die Schalter S1 und S3 inaktiv sind.
6 ermöglicht einen Energieausgleich zwischen drei Zellen Z1 bis Z3 bei vier Spannungsniveaus.
7 zeigt eine Schaltung zum Energieausgleich zwischen vier Zellen Z1 bis Z4, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1 bis C4 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z4 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2 und die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und Z4 wird als ein Knoten K3 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3 und parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4 vorgesehen.
Die Anode der Diode D4 ist weiterhin über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist über eine Induktivität L1 mit dem Knoten K1 verbunden. Weiterhin ist entweder parallel zu den Dioden D2 und D3 ein Kondensator Ck1 vorgesehen (Cuk-Kondensator) oder die Induktivitäten L1 und L2 sind miteinander gekoppelt. Es ist auch möglich, dass sowohl der Kondensator Ck1 als auch die Kopplung zwischen den Induktivitäten L1 und L2 vorgesehen sind.
Somit zeigt 7 eine Halbbrücke 701 umfassend die Schalter S1 und S2, eine Halbbrücke 702 umfassend die Schalter S3 und S4 sowie einen Cuk-Wandler 703 mit den Schaltern S2 und S3. Falls der Kondensator Ck1 entfällt, handelt es sich hierbei um einen Flyback-Wandler 703.
Vorzugsweise werden die Schalter S1 und S3 synchron angesteuert und die Schalter S2 und S4 werden dann synchron angesteuert, wenn die Schalter S1 und S3 inaktiv sind.
8 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen vier Zellen Z1 bis Z4, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1 bis C4 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z4 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2 und die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und Z4 wird als ein Knoten K3 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L3 mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist über eine Induktivität L1 mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3 und parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4 vorgesehen.
Die Anode der Diode D4 ist weiterhin mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten K1 verbunden. Weiterhin sind optional parallel zu den Dioden D1 und D2 ein Kondensator Ck1, parallel zu den Dioden D3 und D4 ein Kondensator Ck2 und parallel zu den Dioden D1 bis D4 ein Kondensator Ck3 vorgesehen. Optional sind die Induktivitäten L1, L2 und L3 miteinander gekoppelt.
Somit zeigt 8 eine Halbbrücke 801 umfassend die Schalter S2 und S3, sowie einen Cuk-Wandler 802 mit den Schaltern S1 und S2 und einen Cuk-Wandler 803 mit den Schaltern S3 und S4. Ferner ist ein umgreifender Cuk-Wandler 804 gezeigt mit den Schaltern S1 und S4. Entfällt der jeweilige Cuk-Kondensator, wird aus dem Cuk-Wandler jeweils ein Flyback-Wandler.
9 zeigt eine Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Z1 bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1 bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter 53, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist über eine Induktivität L1 mit dem Knoten K1 verbunden.
Weiterhin ist parallel zu den Dioden D4 und D5 ein Kondensator Ck1 vorgesehen. Die Induktivitäten L1 und L2 sind miteinander gekoppelt.
Somit zeigt 9 eine Halbbrücke 901 umfassend die Schalter S1 und S2, eine Halbbrücke 902 mit den Schaltern S3 und S4. sowie eine Halbbrücke 903 mit den Schaltern S5 und S6. Weiterhin zeigt 9 einen Flyback-Wandler 904 mit den Schaltern S2 und S3 sowie einen Cuk-Wandler 905 mit den Schaltern S4 und S5.
10 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Z1 bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1 bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist über eine Induktivität L1 mit dem Knoten K1 verbunden.
Weiterhin sind optional parallel zu den Dioden D2 und D3 ein Kondensator Ck1 und parallel zu den Dioden D4 und D5 ein Kondensator Ck2 angeordnet. Die Induktivitäten L1, L2 und L3 sind optional miteinander gekoppelt.
Somit zeigt 10 eine Halbbrücke umfassend die Schalter S1 und S2, eine Halbbrücke mit den Schaltern S3 und S4 sowie eine Halbbrücke mit den Schaltern S5 und S6. Weiterhin zeigt 10 zwei umgreifende Cuk-Wandler mit den Schaltern S2 und S3 bzw. S4 und S5, die optional (ohne die Kondensatoren Ck1 und Ck2) als Flyback-Wandler ausgeführt sein können.
11 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Z1 bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1 bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L4 mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist über eine Induktivität L1 mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten K1 verbunden.
Die Induktivitäten L2 und L3 sind miteinander gekoppelt. Parallel zu den Dioden D1 und D2 ist ein Kondensator Ck3 und parallel zu den Dioden D5 und D6 ist ein Kondensator Ck4 angeordnet.
Weiterhin sind optional parallel zu den Dioden D3 und D4 ein Kondensator Ck1 und parallel zu den Dioden D1 bis D6 ein Kondensator Ck2 angeordnet. Die Induktivitäten L1 und L4 sind optional miteinander gekoppelt.
Somit zeigt 11 eine Halbbrücke umfassend die Schalter S2 und S3, eine Halbbrücke mit den Schaltern S4 und S5 sowie einen Cuk-Wandler mit Schaltern S1 und S2 und einen Cuk-Wandler mit Schaltern S5 und S6. Weiterhin ist ein Flyback-Wandler mit den Schaltern S3 und S4 vorhanden.
Anhand des optionalen Kondensators Ck2 kann ein umgreifender Cuk-Wandler bzw. anhand der Verbindung der Induktivitäten L1 und L4 kann ein umgreifender Flyback-Wandler (ohne Kondensator Ck2) realisiert werden.
12 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Z1 bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1 bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L4 mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist über eine Induktivität L1 mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten K1 verbunden.
Die Induktivitäten L1 und L2 sind miteinander gekoppelt, auch sind die Induktivitäten L3 und L4 miteinander gekoppelt. Parallel zu den Dioden D3 und D4 ist ein Kondensator Ck1 angeordnet.
Somit zeigt 12 eine Halbbrücke umfassend die Schalter S2 und S3, eine Halbbrücke mit den Schaltern S4 und S5 sowie einen Cuk-Wandler mit den Schaltern S3 und S4, einen Flyback-Wandler mit den Schaltern S1 und S2 sowie einen Flyback-Wandler mit den Schaltern S5 und S6.
13 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Z1 bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator C1 bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Z1 bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Z1 und der Zelle Z2 wird als ein Knoten K1, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L4 mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden und die Anode der Diode D1 ist über eine Induktivität L1 mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode D1 ist ein elektronischer Schalter S1, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten K1 verbunden.
Die Induktivitäten L1 und L2 sind miteinander gekoppelt, auch sind die Induktivitäten L3 und L4 miteinander gekoppelt. Parallel zu den Dioden D1 bis D6 ist ein Kondensator Ck1 angeordnet.
Somit zeigt 13 eine Halbbrücke umfassend die Schalter S2 und S3, eine Halbbrücke mit den Schaltern S4 und S5 sowie einen umgreifenden Cuk-Wandler mit den Schaltern S1 und S6, einen Flyback-Wandler mit den Schaltern S1 und S2 sowie einen Flyback-Wandler mit den Schaltern S5 und S6.
Im Beispiel gemäß 13 sind die Zellen Z1 und Z6 mittels des umgreifenden Cuk-Wandlers balanciert, die Weitergabe der Spannungen erfolgt über die zwei voneinander unabhängigen Flyback-Wandler an die beiden Halbbrücken. So werden die beiden innenliegenden Schalter S3 und S4 nur von jeweils einem Wandler genutzt. Sind die Ränder mit Induktivitäten besetzt und zugleich alle am Energieausgleich beteiligten Induktivitäten gleichsinnig gemeinsam gekoppelt, ergibt sich diese umgreifende Topologie.
Eine gleichsinnige gemeinsame Kopplung der Induktivitäten ist eine vorteilhafte Ausgestaltung für eine Anzahl von mehr als vier Zellen (n > 4).
Die Kopplung der Induktivitäten ist optional.
Die Ausgleichschaltung muss nicht permanent betrieben werden. Beispielsweise ist es möglich, Energie zu sparen, indem Hysteresen vorgesehen sind, um einen Energieausgleich nur bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts (z. B. eines Ungleichgewichts) zu aktivieren.

Claims

Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen mindestens zwei Zellen, – bei der die mindestens zwei Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind; – bei der für je zwei Zellen ein Wandler vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Zelle mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: – Einen Energiespeicher; – einen Akkumulator; – eine Akkumulatorzelle; – einen Kondensator; – eine Solarzelle.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der parallel zu der Zelle ein Kondensator angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler ein Wandler mit einer Hochsetzfunktionalität und mit einer Tiefsetzfunktionalität, insbesondere ein symmetrischer Wandler, ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der der Wandler zwei elektronische Schalter parallel zu den Zellen aufweist, wobei parallel zu jedem Schalter eine Diode angeordnet ist, deren Kathode in Richtung des positiven Pols der Schaltungsanordnung ausgerichtet ist, – bei der parallel zu den beiden Schaltern ein Kondensator und/oder in einem Zweig in Richtung der Außenpole der Zellen je eine Induktivität in Reihe mit den beiden elektronischen Schaltern, wobei die Induktivitäten optional gekoppelt sind, angeordnet ist oder – bei der in einem Zweig in Richtung eines Mittenabgriffs der Zellen eine Induktivität angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der der elektronische Schalter mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: – Einen elektronischen Leistungsschalter; – einen Transistor; – einen Mosfet; – einen IGBT.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die elektronischen Schalter des Wandlers abwechselnd für eine vorgegebene Zeitdauer, insbesondere mit einem Duty-Cycle von im Wesentlichen 50%, ansteuerbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die elektronischen Schalter mit einem asymmetrischen Duty-Cycle ansteuerbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler eine der folgenden Komponenten umfasst: – Eine Halbbrückenschaltung; – einen Flyback-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter; – einen Cuk-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter; – einen Cuk-Wandler, insbesondere mit gekoppelten Induktivitäten und/oder einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Wandler vorgesehen sind, wobei zumindest teilweise eine Zelle von mehreren Wandlern ansteuerbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Wandler teilweise überlappend und/oder umgreifend für die mindestens zwei Zellen angeordnet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, bei der die mehreren Wandler abwechselnd ansteuerbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Energieausgleich zwischen den mindestens zwei Zellen zeitweise deaktivierbar ist.
Leuchtsystem umfassend – mindestens ein Leuchtmittel oder mindestens eine Lampe, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode, – die Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung des mindestens einen Leuchtmittels oder der mindestens einen Lampe mit elektrischer Energie.
Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine Ansteuereinheit, anhand derer der Wandler aktiviert bzw. deaktiviert wird.