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Die
Erfindung betrifft eine Ladungsausgleichsschaltung für einen
Energiespeicherblock, der wenigstens zwei seriell geschaltete Energiespeicherzellen
umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ladungsausgleich
wenigstens zweier seriell verbundener Energiespeicherzellen.
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Energiespeicherblöcke werden
für eine
Vielzahl von Anwendungen verwendet. Hierbei bezieht sich der Begriff ”Energiespeicherblock” auf einen
Energiespeicher für
elektrischen Strom beziehungsweise elektrische Ladung. Derartige
Energiespeicherblöcke
umfassen oftmals mehrere seriell geschalteter Energiespeicherzellen
hintereinander. Dadurch lässt
sich die Spannung eines gesamten Energiespeicherblockes als Summe
individueller Energiespeicherzellen bilden, um so die für die Anwendung
erforderliche Gesamtspannung zu erreichen. Zusätzlich können auch einzelne Energiespeicherblöcke seriell
verschaltet werden, um noch höhere Betriebsspannungen
zu gewährleisten.
Insofern bezieht sich der Begriff Energiespeicherzelle auf eine
kleinere Einheit, aus der im Verbund eine größere nämlich der Energiespeicherblock
gebildet wird.
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Beispiele
für einen
Energiespeicherzelle sind Batterien oder einzelnen Akkus, die zusammengeschaltet
ein Pack oder einen Akkublock bilden.
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Typische
verwendete Spannungen reichen heutzutage von beispielsweise 24 V
für elektrische
Fahrräder,
200 V für
typische Hybridfahrzeuge bis zu 500 V oder mehr für rein elekt risch
betriebene Fahrzeuge. Derartige ”Battery Packs” sind sehr
teuer und relativ aufwändig
zu handhaben.
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Lade-
und Entladevorgänge
in solchen Energiespeicherblöcken
können
die Lebensdauer einzelner Energiespeicherzellen aber auch deren
Speicherkapazität
beeinflussen. Zu diesem Zweck wird eine Lade- beziehungsweise Entladeüberwachung
einzelner Energiespeicherblöcke
beziehungsweise auch individueller Zellen durchgeführt. Zusätzlich erfolgt
ein Ladungsausgleich individueller Energiespeicherzellen, in denen Speicherzellen,
deren Ladungen größer sind
als die Ladungen anderer Speicherzellen, entsprechend entladen werden.
Auf diese Weise werden die Energiespeicherzellen annähernd auf
gleichem Spannungsniveau gehalten, bevor ein anschließender Ladezyklus
die Energiespeicherzellen eines Energiespeicherblockes möglichst gleichmäßig auflädt.
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9 zeigt
eine derartige Kontrollschaltung, bei der ein Energiespeicherblock 100 in
Form mehrerer seriell geschalteter Energiespeicherzellen überwacht
wird.
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Dabei
wird jeder Knoten zwischen den Energiespeicherzellen der Steuerschaltung 1000 und
einem darin vorhandenen Multiplexer MOX zugeführt. Dieser legt die Spannung
einer individuellen Energiespeicherzelle, beispielsweise der Speicherzelle 101 auf
einen Analog-Digital-Konverter 12 Bit Delta-Sigma-ADC, der daraus ein
entsprechendes digitales Steuersignal an ein Register und Steuerkontrollschaltung
Register und Control abgibt. In Abhängigkeit der Spannungswerte
der individuellen Energiespeicherzellen steuert das Register nun
eine der gezeigten Entladeelemente E1 an, um die in einer Energiespeicherzelle
vorhandene überschüssige Energie
in Wärme
umzuwandeln. Auf diese Weise können
individuelle Entladungsvorgänge der
einzelnen Energiespeicherzellen innerhalb des Battery Packs ausgeglichen
werden.
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Bei
der Ausgestaltung ist es jedoch erforderlich, dass die individuellen
Energiespeicherzellen einzeln sequentiell hintereinander vermessen
werden. Wenn während
einer solchen Messung Lade- beziehungsweise Entladestrom durch das
Battery Pack 100 fließt,
kann die Messung aufgrund unterschiedlichen Stromflusses durch die
Energiespeicherzellen stark verfälscht
werden. Zusätzlich
wird eine umfangreiche galvanische Trennung benötigt, um die einzelnen individuellen
Speicherzellspannungen bei verschiedenen Spannungspegeln behandeln
zu können.
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Dies
hat zur Folge, dass ein derartiges Battery Pack lediglich bis zu,
je nach Schätzung
und Battery Pack 80% bis 90% seiner Kapazität geladen und nur bis ungefähr 20% seiner
Kapazität
aufgrund des notwendigen Sicherheitsabstandes entladen werden kann.
Dadurch erhöhen
sich die Ladezyklen und gleichzeitig kann eine beträchtliche
Energiemenge praktisch nicht oder kaum benutzt werden.
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Es
besteht demnach ein Bedürfnis
nach einer Verbesserung.
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Diesem
Bedürfnis
wird durch die Gegenstände
der unabhängigen
Patentansprüche
Rechnung getragen. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind hierbei
Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Erfindung liegt unter anderem das Prinzip zugrunde, einen Ladungsausgleich
individueller Energiespeicherzellen innerhalb eines Energiespeicherblockes
nicht durch Dissipation in Wärme
zu erreichen, sondern durch eine Transferierung überflüssiger Ladung. Dabei ist vorgesehen,
Ladung vom Energie speicherblock auf eine individuelle Energiespeicherzelle
des Energiespeicherblockes zu transferieren beziehungsweise Ladung
von einer individuellen Energiespeicherzelle eines Energiespeicherblockes
auf den gesamten Energiespeicherblock.
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Zu
diesem Zweck wird ein Durchschnittswert einer Spannung des Energiespeicherblockes
gebildet und dieser mit Spannungswerten der einzelnen individuellen
Energiespeicherzellen des Energiespeicherblockes verglichen. Abhängig von
dem Ergebnis wird ein Ladungsausgleich initialisiert.
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Der
vorgeschlagene Ladungsausgleich kann während eines Lade- beziehungsweise
eines Entladevorgangs des Energiespeicherblockes erfolgen. Damit
ist ein Ladungsausgleich auch während
eines Betriebes des Energiespeicherblockes möglich. Zusätzlich ist vorgesehen, einen
Ladungsausgleich autark und unabhängig von einer extern angeordneten
Steuerschaltung zu ermöglichen.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft die Ermittlung der durchschnittlichen Spannung
des Energiespeicherblockes und des individuellen Energiespeicherzellen.
Dieser kann erfindungsgemäß derart
erfolgen, dass die Spannungen aller Energiespeicherzellen innerhalb
des Energiespeicherblockes im Wesentlichen gleichzeitig und nicht
sequentiell gemessen werden und mit der durchschnittlichen Spannung
des Energiespeicherblockes verglichen werden. Damit wird eine deutlich
höhere
Genauigkeit erreicht, weil sich verändernde Ströme die Messung nicht verfälschen.
Entsprechend kann der Sicherheitsbereich reduziert werden und der
Energiespeicherblock deutlich höher
als bis zu den bisherigen Werten aufgeladen und entladen werden.
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Unter
dem Begriff einer durchschnittlichen Spannung des Energiespeicherblocks
wird eine Spannung verstanden, die sich aus der vom Energiespeicherblock
bereitgestellten Spannung und der Anzahl der im Energiespeicherblock
vorhandenen seriell geschalteten Energiespeicherzellen ergibt. Sie
kann beispielsweise einer Sollspannung einzelner Energiespeicherzellen
entsprechen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Ladungsausgleichsschaltung
für einen
Energiespeicherblock, der wenigstens zwei seriell geschaltete Energiespeicherzellen
aufweist, eine Vergleichsschaltung, die ausgestaltet ist, ein Steuersignal
aus einem Vergleich einer Spannung von einer der wenigstens zwei seriell
geschalteten Energiespeicherzellen mit einer Referenzspannung zu
erzeugen. Die Referenzspannung ist dabei aus einer vom Energiespeicherblock
bereitgestellten Spannung und einer Anzahl der wenigstens zwei seriell
geschalteten Energiespeicherzellen abgeleitet.
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Die
Referenzspannung wird im Folgenden als durchschnittliche Spannung
des Energiespeicherblockes bezeichnet. Diese durchschnittliche Spannung
des Energiespeicherblockes ist zu unterscheiden von dem Begriff
der Spannung des Energiespeicherblocks. Letzterer bezeichnet die
vom Energiespeicherblock bereitgestellte Spannung an einem Ausgangsanschluss.
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Die
Ladungsausgleichsschaltung für
einen Energiespeicherblock umfasst weiterhin einen DC/DC-Wandler
mit einem ersten Anschlussklemmenpaar sowie mit einem zweiten Anschlussklemmenpaar. Das
erste Anschlussklemmenpaar ist mit Anschlüssen des Energiespeicherblocks
gekoppelt. Am ersten Anschlussklemmenpaar liegt somit die vom Energiespeicherblock
bereitgestellte Spannung an. Das zweite Anschlussklemmenpaar ist
für ein fliegendes
Potential ausgeführt
und mit Anschlüssen
der einen der wenigstens zwei Energiespeicherzellen koppelbar. Schließlich ist
der DC/DC-Wandler ausgeführt,
in Abhängigkeit
des Steuersignals der Vergleichsschaltung Ladung von einem der ersten
und zweiten Anschlussklemmenpaare zu dem anderen der ersten und
zweiten Anschlussklemmenpaare zu transferieren.
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Abhängig von
dem Steuersignal transferiert der DC/DC-Wandler in einer Ausführung Ladung
von dem Energiespeicherblock auf die eine der wenigstens zwei Energiespeicherzellen.
In einer anderen Ausgestaltung transferiert der DC/DC-Wandler Ladung
von der einen der Energiespeicherzellen zu dem Energiespeicherblock.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der DC/DC-Wandler ausgeführt, abhängig von
dem Steuersignal entweder Ladung vom Energiespeicherblock auf die
eine der wenigstens zwei Energiespeicherzellen oder Ladung von der
einen der wenigstens zwei Energiespeicherzellen auf den Energiespeicherblock
zu transferieren.
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Der
Transfer erfolgt in Abhängigkeit
des Steuersignals. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, Ladung vom
Energiespeicherblock auf die eine der wenigstens zwei Energiespeicherzellen
zu transferieren, wenn ein Spannungssignal der Energiespeicherzelle
kleiner ist als die Referenzspannung. In einer anderen Ausgestaltung
wird Ladung von der einen der wenigstens zwei Energiespeicherzellen
auf den Energiespeicherblock transferiert, wenn die Spannung der
einen Energiespeicherzelle größer ist
als die Referenzspannung. Unter dem Begriff größer oder kleiner kann in einer
Ausführungsform
auch verstanden werden, dass sich die Referenzspannung und die Spannung
der Energiespeicherzelle um einen vorgegebenen Wert unterscheiden.
Damit wird erreicht, dass ein Ladungsausgleich erst bei Überschreiten
eines Schwellwertes, gegeben durch den vorgegebenen Wert, initiiert
wird.
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In
einer Ausgestaltung sind das erste und das zweite Anschlussklemmenpaar
des DC/DC-Wandlers miteinander induktiv gekoppelt. Beispielsweise
kann ein Transformator vorgesehen sein, dessen Übersetzungsverhältnis von
der Anzahl der wenigstens zwei Energiespeicherzellen abhängig ist.
Die induktive Kopplung erlaubt eine Potentialtrennung zwischen dem
ersten und zweiten Anschlussklemmenpaar, sodass ein Ladungstransfer
ohne größeren Aufwand
realisierbar ist. In einer Ausgestaltung umfasst der DC/DC-Wandler eine
Induktionsspule, deren Anschlüsse über ein
gleichrichtendes Element miteinander verbunden sind. Hierzu kann
eine Diode, insbesondere eine Schottky-Diode, vorgesehen sein. Auf
einer Primärseite
einer solchen induktiven Kopplung kann eine Freilaufdiode als eine
einfache Ausführungsvariante
angeordnet sein. Man könnte
die Primärseite
auch mit einer H-Brücke
bipolar ansteuern, also mit tatsächlicher
Wechselspannung anstelle mit gepulster Gleichspannung.
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Für den Ladungstransfer
mittels induktiver Kopplung ist eine Wechselspannung notwendig.
Daher ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, einen
Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Primärseite des
DC/DC-Wandlers zu
koppeln. In einer Ausgestaltung umfasst der DC/DC-Wandler somit
einen Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung. Der Wechselrichter
kann beispielsweise einen Schalter aufweisen, dem ein gepulstes
Signal zur Steuerung zuführbar
ist, und der zwischen einer Transformatorspule beziehungsweise einer
Induktionsspule und einem der Anschluss klemmenpaare angeordnet ist. Über den
gepulst betriebenen Schalter wird somit der induktiven Kopplung
ein quasi Wechselspannungssignal zugeführt, wodurch Ladung auf eine
Sekundärseite
des DC/DC-Wandlers transferiert wird.
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Mit
Hilfe einer induktiven Kopplung beispielsweise über einen Transformator, eine
Spule oder auch eine Luftspule können
große
Ladungsmengen in kurzer Zeit transferiert werden. In einer anderen
Ausführungsform
ist das erste und zweite Anschlussklemmenpaar miteinander kapazitiv
gekoppelt. In dieser Variante kann der DC/DC-Wandler einen Schaltwandler
in Switched-Capacitor-Technik umfassen.
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Auch
dieser Schaltwandler umfasst einen Schalter, dem ein gepulstes Signal
zur Steuerung zuführbar ist.
Mit Hilfe des Schaltwandlers und einem hierfür vorgesehenen Zwischenspeicher
in Form eines oder mehrerer Kondensatoren wird während eines ersten Zeitraums
Ladung von einer der beiden Anschlussklemmenpaare auf den Zwischenspeicher
gebracht. Anschließend
wird in einem zweiten nachfolgenden Zeitraum diese Ladung an das
andere der beiden Anschlussklemmenpaare abgegeben. Mit Hilfe eines
Schaltwandlers in Switched-Capacitor-Technik ist es somit in einfacher
Weise möglich,
Ladung vom Energiespeicherblock auf eine der wenigstens zwei Energiespeicherzellen
beziehungsweise von einer der beiden Energiespeicherzellen auf den
Energiespeicherblock zu transferieren.
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Zur
Erzeugung eines gepulsten Signales beziehungsweise zur Ansteuerung
des Schalters weist in einer Ausgestaltung der DC/DC-Wandler einen
Pulsgenerator auf. Dieser kann beispielsweise in Form eines Ringoszillators
ausgestaltet sein.
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Zur
Erzeugung der Referenzspannung ist in einer Ausführungsform der Erfindung eine
Referenzspannungsschaltung vorgesehen, die mit den Anschlüssen des
Energiespeicherblockes gekoppelt ist. Zur Erzeugung der Referenzspannung
verwendet die Referenzspannungsschaltung die vom Energiespeicherblock
bereitgestellte Spannung und teilt diese im Wesentlichen durch die
Anzahl der Energiespeicherzellen des Energiespeicherblocks. Hierzu
kann die Referenzspannungsschaltung sich verschiedener Mittel bedienen.
In einer Ausgestaltung enthält
die Ladungsausgleichsschaltung einen Spannungsteiler zur Bereitstellung
der Referenzspannung, der eine Anzahl seriell angeordneter, resistiver
Elemente mit jeweils gleichem Widerstandswert enthält. Die
Anzahl der seriell angeordneten, resistiven Elemente entspricht
der Anzahl der Energiespeicherzellen des Energiespeicherblocks.
Die Referenzspannung wird demnach erzeugt, in dem die vom Energiespeicherblock
bereitgestellte Spannung im Wesentlichen durch die Anzahl der wenigstens
zwei Energiespeicherzellen des Energiespeicherblocks geteilt wird.
Die sich so ergebende geteilte Spannung wird wie oben erläutert als
durchschnittliche Spannung des Energiespeicherblocks bezeichnet.
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In
einer anderen Ausgestaltung ist ein Digital/Analog-Wandler vorgesehen,
dem als Versorgung die Spannung des Energiespeicherblocks zugeführt wird.
Ein ebenfalls dem Digital/Analog-Wandler
zugeführtes digitales
Eingangswort entspricht dem inversen der Anzahl der wenigstens zwei
Energiespeicherzellen. Die vom Digital/Analog-Wandler abgegebene
analoge Spannung ist somit im Wesentlichen gleich der dem Digital/Analog-Wandler zugeführten Versorgungsspannung
multipliziert mit dem digitalen Eingangswort.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft den Vergleich und die Erzeugung des Steuersignals.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vergleichsschaltung
einen einzelnen Vergleicher und eine steuerbare Multiplexerschaltung.
Diese ist ausgangsseitig mit dem Vergleicher und eingangsseitig
mit jeder der wenigstens zwei Energiespeicherzellen gekoppelt. In
dieser Ausführungsform
werden somit die einzelnen Spannungswerte der Energiespeicherzellen
sequentiell über
die steuerbare Multiplexerschaltung dem Vergleicher zugeführt, der
sie mit der Referenzspannung vergleicht.
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In
einer anderen Ausgestaltung ist die Vergleichsschaltung ausgeführt, mehrere
Steuersignale abgeleitet aus einem im Wesentlichen gleichzeitig
durchgeführten
Vergleich einer Spannung einer jeden der wenigstens zwei seriell
geschalteten Energiespeicherzellen mit einer Referenzspannung abzugeben.
In dieser Ausgestaltung umfasst die Vergleichsschaltung somit mehrere
Vergleicher, deren Anzahl im Wesentlichen der Anzahl der wenigstens
zwei Energiespeicherzellen des Energiespeicherblocks entspricht.
Zur Erzeugung der Steuersignale wird die Spannung einer jeden der
wenigstens zwei Energiespeicherzellen mit einer entsprechenden Referenzspannung
verglichen.
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Nachdem
ein Vergleich durchgeführt
wurde, steht fest, welche der wenigstens zwei Energiespeicherzellen
eine geringere beziehungsweise eine größere Spannung als die durchschnittliche
Spannung des Energiespeicherblocks aufweist. Zur Durchführung des
Ladungsausgleichs ist in einer Ausgestaltung eine Schalterstruktur
vorgesehen, die zwischen dem zweiten Anschlussklemmenpaar des DC/DC-Wandlers
und jeder der wenigstens zwei Energiespeicherzellen des Energiespeicherblocks
angeordnet ist. Die Schalterstruktur ist zu einer wahlweisen Kopplung
des zweiten Anschlussklemmenpaares mit einer der wenigstens zwei
Energiespeicherzellen ausgeführt.
Auf diese Weise wird durch die wahlweise Kopplung jeweils eine der
wenigstens zwei Energiespeicherzellen mit dem DC/DC-Wandler gekoppelt
und ein Ladungstransfer initiiert. Bei einer geeigneten Ausgestaltung
des Wandlers kann somit Ladung vom Energiespeicherblock auf jede
der Energiespeicherzellen transferiert beziehungsweise Ladung von
einer der Energiespeicherzellen auf den Energiespeicherblock transferiert
werden.
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Zu
diesem Zweck kann eine Steuerschaltung vorgesehen sein, die das
oder die Steuersignale der Vergleichsschaltung empfängt und
hieraus ein Steuersignal an den DC/DC-Wandler erzeugt. Ebenso kann
die Steuerschaltung auch geeignete Regelsignale an die Schalterstruktur
beziehungsweise den Multiplexer abgeben.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Ladungsausgleich wenigstens
zweier verbundener Energiespeicherzellen wird die Spannung wenigstens
einer der wenigstens zwei seriell verbundener Energiespeicherzellen
mit einer Referenzspannung verglichen und daraus ein Steuersignal
ermittelt. Die Referenzspannung wird hierbei aus einer Spannung
abgeleitet, die sich aus der Summe aller seriell verbundener Energiespeicherzellen
dividiert durch die Anzahl der seriell verbundener Energiespeicherzellen
ergibt. Abhängig
von dem Steuersignal wird nun Ladung von der einen der wenigstens
zwei seriell verbundenen Energiespeicherzellen auf alle Energiespeicherzellen
transferiert beziehungsweise Ladung von allen Energiespeicherzellen auf
die eine der wenigstens zwei seriell verbundenen Energiespeicherzellen.
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Mit
anderen Worten wird Ladung von einem Energiespeicherblock gebildet
aus den wenigstens zwei seriell verbundenen Energiespeicherzellen
auf die eine der Energiespeicherzellen trans feriert beziehungsweise
Ladung von dieser auf den Energiespeicherblock. Für einen
Ladungstransfer vom Energiespeicherblock auf die eine der Energiespeicherzellen
kann beispielsweise die vom Energiespeicherblock bereitgestellte
Spannung in eine Wechselspannung gewandelt und anschließend in
eine Sekundärspule
induziert werden, welche mit der einen der wenigstens zwei Energiespeicherzellen
gekoppelt ist. Alternativ kann auch eine von der einen der Energiespeicherzellen
bereitgestellte Spannung in eine Wechselspannung konvertiert und
anschließend in
eine Spule induziert werden, welche mit dem Energiespeicherblock
gekoppelt ist. In diesen Fällen
erfolgt ein Ladungstransfer somit über eine induktive Kopplung
oder magnetische Induktion.
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Alternativ
kann auch Ladung vom Energiespeicherblock entnommen, zwischengespeichert
und in einem nachfolgenden Schritt auf die eine der Energiespeicherzellen übertragen
werden. In einem derartigen Fall werden Energiespeicherblock und
die eine der wenigstens zwei Energiespeicherzellen kapazitiv miteinander gekoppelt.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Referenzspannung erzeugt,
in dem die vom Energiespeicherblock bereitgestellte Spannung durch
die Anzahl der im Energiespeicherblock vorhandenen seriell verschalteter
Energiespeicherzellen geteilt wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Prinzips,
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2 eine
weitere schematische Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
zweite Ausgestaltung der Erfindung,
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4 eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung,
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5 eine
vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Prinzips,
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6 eine
fünfte
Ausgestaltung der Erfindung,
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7 eine
Ausführungsform
einer Vergleichsschaltung,
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8 eine
Ausführung
einer Referenzspannungsschaltung,
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9 eine
Ausgestaltung eines Ringoszillators,
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10 eine
bekannte Ausführung
einer Ladungsausgleichsschaltung.
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1 zeigt
eine Ladungsausgleichsschaltung 1 mit einem daran angeschlossenen
Energiespeicherblock 100 in Form eines Battery Packs. Das
Battery Pack 100 umfasst in dieser Ausführungsform zwölf seriell hintereinander
geschaltete, einzelne Energiespeicherzellen 101, 102, 103 bis 112.
Diese Energiespeicherzellen weisen jeweils nominell den gleichen
Spannungswert auf, sodass sich die Gesamtspannung des Battery Packs
durch eine Multiplikation einer Spannung einer der Energiespeicherzellen
mit der Anzahl der Energiespeicherzellen ergibt. Im vorliegenden
Ausführungsfall
hat jeder der Energiespeicherzellen nominell eine Sollspannung von
4 V, sodass sich zwischen den beiden Ausgangsklemmen 113 und 114 des
Battery Packs 100 die Sollgesamtspannung von 48 V einstellt.
Durch zusätzliche
seriell angeordnete Energiespeicherzellen lässt sich die Ausgangsspannung
natürlich
variieren. Die tatsächliche
Ausgangsspannung kann natürlich
variieren, weil Entladungseffekte oder auch zusätzliche Innenwiderstände des
Packs, die zur Verfügung
stehende Ausgangsspannung verringern.
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Beim
Laden und Entladen des Battery Packs sowie aufgrund von Alterungseffekten
laden beziehungsweise entladen sich die einzelnen Speicherzellen 101 bis 112 unterschiedlich
schnell. Auch ein andauernder langsamer Entladevorgang einzelner
Energiespeicherzellen ist unterschiedlich groß, sodass nach einiger Zeit die
einzelnen Energiespeicherzellen 101 bis 112 des
Battery Packs unterschiedlich hohe Spannungen aufweisen. Bei einem
Ladevorgang führt
dies nun dazu, dass die einzelnen Energiespeicherzellen unterschiedlich stark
aufgeladen werden kann, wodurch sich die gesamte Kapazität des Battery
Packs 100 im Laufe mehrerer Lade- und Entladevorgänge verringert.
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Zum
Ladungsausgleich und somit zur Kompensation unterschiedlicher Spannungen
einzelner Energiespeicherzellen innerhalb des Battery Packs ist
nun eine autonom arbeitende Ladungsausgleichsschaltung 1 vorgesehen.
Diese umfasst hier dargestellt einen DC-Konverter 20 sowie
eine Vergleichsschaltung 30. Zur einfachen Übersichtsdarstellung
sind vorliegend lediglich wesentliche Elemente des DC-Konverters 20 zur
Erläuterung
des erfindungsgemäßen Prinzips
dargestellt. Auf die im Folgenden näher erläuterte Weise können auch
die weiteren Energiespeicherzellen gegebenenfalls ausgeglichen werden.
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Der
DC-Konverter 20 umfasst einen Transformator für eine induktive
Kopplung. Dieser umfasst eine Primärseite mit einer Spule 204 und
einer zwischen den Anschlüssen
der Spule 204 angeordneten ersten Diode 205. Die
Sekundärseite
des Transformators 200 umfasst ein Anschlussklemmenpaar 115 und 116,
zwischen denen die auszugleichende Energiespeicherzelle 102 angeordnet
ist. Die Sekundärseite
weist eine zweite Spule 202 sowie eine zweite Diode 206 auf.
Ein Kondensator 201 zwischen dem zweiten Anschlussklemmenpaar 115, 116 dient
zur Glättung
in einen späteren
Betrieb des Ladungsausgleichs. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Übersetzungsverhältnis des
Transformators 1:12, wobei 12 die Anzahl der Energiespeicherzellen
im Battery Pack 100 darstellt. Das Übersetzungsverhältnis entspricht
in der Praxis nicht genau der Zellenzahl. Kleinere Übersetzungen,
also z. B. 11,5 ergeben auf der Sekundärseite eine höhere Spannung
als die Zellspannung womit ohmsche Spannungsabfälle und Transformator Verluste
abgedeckt werden können.
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Der
dargestellte DC/DC-Wandler 20 dient somit dazu, Ladung
von den Anschlussklemmen 114 und 113 des Battery
Packs 100 auf die individuelle Energiespeicherzelle 102 zu
transferieren.
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Hierzu
ist die Primärseite
des Transformators 200 mit den beiden Anschlüssen 113 und 114 des
Battery Packs gekoppelt. Im Einzelnen ist auch hier ein Ausgleichskondensator 203 zwischen
den Anschlüssen 113 und 114 vorgesehen.
Im Einzelnen ist die Spule 204 sowie die Diode 205 parallel
geschaltet und zwischen dem Anschluss 113 und einem Schalter 255 angeordnet.
Dieser koppelt den zweiten Anschluss 114 des Battery Packs
mit der Primärseite
des Transformators 200.
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Angesteuert
wird der Schalter durch einen Burst- beziehungsweise Pulsgenerator 250,
dem ein externes Steuersignal Control zugeführt wird. Unter dem Begriff ”Burst” versteht
man einen oder mehrere hintereinander laufende Rechteckspulse. Diese
steuern die Übertragung
von Energie während
einer Zeitspanne.
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Die
Vergleichsschaltung 30 enthält mehrere Komparator beziehungsweise
Vergleicher 30b, von denen hier zwei, nämlich 300 und 301,
dargestellt sind. Jeder dieser Komparatoren dient zu einem Vergleich
einer Spannung einer der Energiespeicherzellen 101 bis 112 mit
einer Referenzspannung. So ist im konkreten Ausführungsfall beispielsweise der
Komparator 300 mit zwei ersten Anschlussklemmen zur Zuführung eines
Differenzsignals mit dem zweiten Anschlussklemmenpaar 115, 116 des
DC/DC-Wandlers 20 verbunden. Somit wird dem Komparator 300 die
von der Energiespeicherzelle 102 zur Verfügung gestellte
Spannung zugeführt. Ein
zweites Anschlussklemmenpaar des Komparators 300 ist demgegenüber an Knoten
PS1 und PS2 eines Widerstandsteilers geführt.
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Der
Widerstandsteiler 30a dient zur Bereitstellung einer durchschnittlichen
Referenzspannung des Battery Packs 100. Dazu ist der Widerstandsteiler 30a mit
seriell angeordneten Widerständen 321, 322, 323 bis 333 zwischen
die Anschlüsse 114 und 113 des
Battery Packs 100 geschaltet. Die Widerstandswerte der einzelnen
Widerstände 321 bis 333 sind
gleich groß,
wobei es auf die absolute Größe der Widerstände nicht ankommt.
Wesentlich ist lediglich, aufgrund des gleichmäßigen Widerstandsteilerverhältnisses
des Widerstandsteilers 30a zwischen zwei Knoten PS1 und
PS2 die jeweils gleiche geteilte Spannung einstellt. Diese geteilte
Spannung entspricht der durchschnittlichen Spannung des Battery
Packs 100. Hiervon kann natürlich die individuelle Zellenspannung
einer jeden Energiespeicherzelle 101 bis 112 entsprechend
abweichen. Durch den Komparator 300 der Vergleicher 30b innerhalb
der Vergleichsschaltung 30 wird nun die von der Energiespeicherzelle 102 bereitgestellte
Zellenspannung mit der über
den Widerstand 322 abfallenden durchschnittlichen Referenzspannung
verglichen. Das Ergebnis wird als Steuersignal dem Pulsgenerator 250 zugeführt.
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In
einem Betrieb der Ladungsausgleichsschaltung bei angeschlossenem
Battery Pack 100 wird nun die von der Zelle 102 bereitgestellte
Zellenspannung mit der vom Battery Pack 100 bereitgestellten
Spannung geteilt durch die Anzahl der einzelnen Energiespeicherzellen
verglichen. Sofern die Zellenspannung der Energiespeicherzelle 102 im
Wesentlichen gleich oder größer als
die durchschnittliche Spannung des Energiespeicher-Packs ist, ist
ein Ladungsausgleich nicht notwendig. Fällt hingegen die Zellenspannung
der Energiespeicherzelle 102 unter die durchschnittliche
Spannung des Battery Packs 100, so gibt der Komparator 300 ein entsprechendes
Kontrollsignal an den Pulsgenerator 250 des DC/DC-Wandlers
ab. Dieser erzeugt daraufhin ein gepulstes Signal und steuert damit
den Schalter 255 an.
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Die
Ansteuerung des Schalters 255 in gepulster Form führt zu einer
Wechselspannung, die der Primärseite
des Transformators 200 zugeführt wird. Die Diode 205 wirkt
als Freilaufdiode und der Kondensator 203 ist zur Glättung vorgesehen,
um AC-Abstrahlung
auf den Leitungen nach außen
hin zu vermeiden. Ohne die Freilaufdiode 205 könnte eine
hohe Selbstinduktionsspannung entstehen, die den Schalter 255 zerstören könnte.
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Jeder
der Spannungspulse führt
zu einem Stromanstieg in der Primärspule, da es sich ja um eine
Induktion handelt. Bevor die Sättigungsinduktion
erreicht ist wird der Strom durch den Transistor wieder ausgeschaltet.
Der Strom kann durch die Freilaufdiode dennoch weiter fließen und
die in der Spule gespeicherte Energie baut sich wieder ab. Der Vorgang
wird durch das getaktete Signal, mit dem der Transistor 255 angesteuert
wird wiederholt. Der Auf- und Abbau des Magnetfeldes in der Primärspule erzeugt
eine entsprechende Induktion in der Sekundärseite mit der Spule 202,
der Diode 206 und dem Kondensator 201. Der Spannungsstoss
wird durch die Diode 206, vorzugsweise ebenso wie die Diode 205 eine
Schottky-Diode und den Kondensator 201 gleichgerichtet,
geglättet
und als Ladung der Energiespeicherzelle 102 zugeführt. Damit
erhöht
sich die von der Energiespeicherzelle 102 zugeführte Zellenspannung
so lange, bis diese den durchschnittlichen Wert des Battery Packs 100 erreicht.
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In
entsprechender Weise werden auch die weiteren individuellen Energiespeicherzellen
durch daran angeschlossene DC/DC-Konverter
aufgeladen, sofern ihre individuelle Zellenspannung unterhalb der
Durchschnittsspannung des Battery Packs 100 verbleibt.
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In
der dargestellten Ausführungsform
werden somit Ladungspakete von dem Battery Pack entnommen und zu
Einzelzellen innerhalb des Battery Packs transferiert. Der dargestellte
DC/DC-Wandler umfasst ein fliegendes Potential an seiner Sekundärseite und
dem zweiten Anschlussklemmenpaar 115, 116. Dieser unregulierte
Ausgang ermöglicht
die Transferierung von Ladungspaketen unabhängig von einer Spannung des Battery
Packs beziehungsweise der individuellen Speicherzellen. Zusätzlich erfolgt
ein gleichzeitiger Vergleich aller tatsächlichen Zellspannungen mit
der durchschnittlichen Spannung des Battery Packs 100 durch
die Komparatoren 300, 301 der Ver gleichsschaltung 30.
Die Energiespeicherzellen mit zu geringer Spannung erhalten so über die
DC/DC-Wandler Ladungspakete, bis ihre Spannung wieder dem Durchschnitt
entspricht. Der Ladungsausgleich erfolgt selbständig so beim Entladen als auch
beim Beladen und das Battery Pack kann so besser genutzt werden.
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In
der dargestellten Ausführungsform
wird der DC/DC-Wandler über
eine induktive Kopplung mittels eines Transformators realisiert.
Das Übersetzungsverhältnis ergibt
sich aus der Anzahl der individuellen Energiespeicherzellen des
Battery Packs. Die wenigen Primär-
und Sekundärwindungen
des Transformators 200 lassen sich in einem ferromagnetischen
Kunststoff vergießen,
sodass das entstehende Gehäuse
zusätzlich
mit passiven und aktiven Komponenten ausgebildet werden kann. Dadurch
kann ein vollmagnetisch geschirmter DC/DC-Wandler mit kleiner relativer
Permeabilität
von 5 bis 15 und einer großen
Energiespeicherfähigkeit
realisiert werden. Bei dem dargestellten Übersetzungsverhältnis wird
zudem auch nur ein kleiner Primärstrom
geschaltet. Der Sekundärstrom
ist aufgrund des Übersetzungsverhältnisses
um den angegebenen Faktor größer.
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Battery
Packs, wie in 1 dargestellt, können in
gleicher Weise und nach dem gleichen Prinzip ausgeglichen werden. 2 zeigt
eine entsprechende Ausführungsform,
bei der verschiedene Battery Packs 100a, 100b mit
jeweils darin in Serie geschalteten Energiespeicherzellen ausgeglichen
werden. Zu diesem Zweck wird auch hier die Spannung eines jeden
individuellen Battery Packs 100a, 100b von einer
Ladungsausgleichsschaltung 1 erfasst und mit deren durchschnittlichen
Gesamtspannung verglichen. Diese ergibt sich aus der Summe der ein zelnen
Spannungen der hintereinander geschalteten Battery Packs 100a, 100b geteilt durch
die entsprechende Anzahl.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind acht Battery Packs 100a, 100b hintereinander
geschaltet, wodurch sich bei einer nominellen Spannung von 48 V
pro Battery Pack eine Gesamtspannung von 384 V einstellt. Die Ladungsausgleichsschaltung 1 nach 2 enthält entweder
eine Anzahl DC/DC-Wandler zum Ladungstransfer auf jedes einzelne
Battery Pack, oder einen einzelnen Wandler, der sequentiell angesteuert wird.
Ebenso sind Vergleichsschaltungen vorgesehen, die die individuelle
Spannung eines jedes einzelnen Battery Packs mit der durchschnittlichen
Gesamtspannung vergleichen. Die Ladungsausgleichsschaltung 1 kann
durch entsprechende Steuersignale einer zusätzlich vorgesehenen Steuer-
und Regelschaltung 90 aktiviert beziehungsweise deaktiviert
werden. Diese kontrolliert zusätzlich
auch einen Lade- beziehungsweise Entladevorgang der Battery Packs
insgesamt. Während
des Ladevorgangs kann so gleichzeitig ein Ausgleich durch die Ladungsausgleichsschaltung 1 für die individuellen
Battery Packs 100a, 100b erfolgen, während die gesamte
Struktur geladen wird.
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In
der Ausgestaltung der 1 ist ein DC/DC-Wandler vorgesehen,
bei dem Ladung von dem Battery Pack 100 beziehungsweise
allgemein von dem Energiespeicherblock auf eine der individuellen
angesteuerten Energiespeicherzellen transferiert wird. Dies ist
dann notwendig, wenn die Zellspannung der individuellen Energiespeicherzelle
innerhalb des Energiespeicherblocks geringer ist als die durchschnittliche
vom Energiespeicherblock bereitgestellte Spannung. Letztere ergibt
sich wie gesagt aus der vom Energiespeicherblock bereitgestellten
Gesamtspannung dividiert durch die Anzahl der im Energiespeicherblock
vorhandenen einzelnen Energiespeicherzel len. Im Zusammenhang mit
dem DC/DC-Wandler der Ausführungsform
der 2 spricht man auch von einem so genannten Down-Konverter.
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Ein
umgekehrter Fall ist jedoch dann gegeben, wenn einer Zellspannung
einer individuellen Zelle größer ist
als die durchschnittliche Spannung des Energiespeicherblocks. In
diesem Fall ist es auch möglich,
Ladung von der individuellen Energiespeicherzelle auf den gesamten
Energiespeicherblock zu übertragen.
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3 zeigt
eine derartige Ausgestaltungsform, die mit Hilfe eines DC/DC-Upkonverters 20a realisiert ist.
Auch dieser enthält
ein induktives Wandlerelement mit einer Primärspule 202 und einer
Sekundärspule 204.
Parallel zur Primärspule 202 ist
eine erste Diode 206 angeordnet. Ein Kondensator 201 ist
zur Glättung vor
dem Schalter angeordnet. Ein Schalter 255 zwischen einem
Anschluss der Primärspule 202 und
einem Anschluss des Anschlussklemmenpaares 115, 116 dient
zur Erzeugung eines Wechselspannungssignals in der Primärspule.
Der zweite Anschluss 116 des zweiten Anschlussklemmenpaares
des DC/DC-Wandlers 20a ist an den entsprechenden zweiten
Anschluss der Primärspule 202 angeschlossen.
Zusätzlich
versorgt die Energiespeicherzelle 102 auch den Pulsgenerator 250,
der zu diesem Zweck mit dem Anschlussklemmenpaar 115, 116 verbunden
ist. Die Sekundärspule 204 ist über eine
Diode 205 mit den Anschlüssen des Energiespeicherblocks 113 und 114 verbunden.
Ein parallel dazu angeordneter Kondensator 203 dient zur
Glättung
einer in der Sekundärspule 204 induzierten
und gleichgerichteten Spannung.
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Das
erste Anschlussklemmenpaar des DC/DC-Wandlers 20a ist mit
dem Energiespeicherblock und den Anschlüssen 113, 114 verbun den,
die ihrerseits an die Referenzspannungsschaltung 30 angeschlossen ist.
Diese erzeugt daraus ein Spannungssignal, welches im Wesentlichen
der vom Energiespeicherblock 100 bereitgestellten Spannung
dividiert durch die Anzahl der darin enthaltenen Energiespeicherzellen
entspricht. Das so erzeugte Spannungssignal wird einem Komparator 300 einer
Vergleichsschaltung 30 zugeführt, der dieses mit der Zellenspannung
der Energiespeicherzelle 102 vergleicht und daraus ein
Kontroll- und Steuersignal
an die Generatorschaltung 250 des DC/DC-Wandlers 20a abgibt.
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In
einem Betrieb der Anordnung wird durch den Pulsgenerator 250 in
Abhängigkeit
des Steuersignals des Komparators 300 ein gepulstes Signal
erzeugt und damit der Schalter 255 angesteuert. Dadurch
fließt
eine Wechselspannung durch die Primärspule 202, die sich
aus der Zellenspannung der Energiespeicherzelle 102 ergibt.
Die Änderung
des Magnetfeldes in der Primärspule 202 induziert
in der Sekundärspule 204 eine
entsprechende Spannung, die vom Übersetzungsverhältnis abhängt und
von der Diode 205 gleichgerichtet und dem Kondensator 203 geglättet wird.
Dadurch wird Ladung auf den Energiespeicherblock 100 transferiert,
solange bis die durchschnittliche Spannung des Energiespeicherblocks 100 der
Zellenspannung der Zelle 102 entspricht.
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Es
besteht nun die Möglichkeit,
dass eine Energiespeicherzelle des Energiespeicherblocks je nach Entladungszustand
eine geringere Zellenspannung beziehungsweise eine größere Zellenspannung
als die entsprechende Durchschnittsspannung des Energiespeicherblocks
aufweist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, je nach Bedarf entweder
Ladung vom Energiespeicherblock auf eine individuelle Energiespeicherzelle
zu transferieren beziehungsweise von dieser Ladung auf den Energiespeicherblock.
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4 zeigt
eine diesbezügliche
Ausführungsform
einer Ladungsausgleichsschaltung, die einen Ladungstransfer in beide
Richtungen ermöglicht.
In dieser Ausgestaltung ist der DC/DC-Wandler mit einer so genannten Switched-Capacitor-Technik
ausgeführt.
Demzufolge ist das erste Anschlussklemmenpaar 113, 114 des
DC/DC-Wandlers 20b und das zweite Anschlussklemmenpaar 115, 116 kapazitiv
gekoppelt. Im Einzelnen umfasst der Wandler neben der Pulsgeneratorschaltung 250 auch
einen Kondensator 209, der jeweils mit einem Schalter 210 beziehungsweise 211 verbunden
ist. Der Schalter wird von der Generatorsteuerschaltung 250 entsprechend
angesteuert. Der Schalter 210 ist nun einerseits mit einem
Anschluss 113 des ersten Anschlussklemmenpaares und einem
Anschluss 116 des zweiten Anschlussklemmenpaares verbunden.
Entsprechend verbindet der Schalter 210 den Kondensator 209 je
nach Schalterstellung entweder mit einem Anschluss des ersten Anschlussklemmenpaares
oder mit einem Anschluss 115 des zweiten Anschlussklemmenpaares.
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Die
Ladungsausgleichsschaltung 1 gemäß 4 enthält eine
Generatorsteuerschaltung in Form eines Widerstandsteilers mit einer
Anzahl in Reihe geschalteter Widerstände 321, 322 bis 32n.
Dieser Widerstandsteiler ist im Wesentlichen parallel zu dem ersten
Anschlussklemmenpaar des DC/DC-Wandlers 20b angeordnet
und somit an die Ausgangsanschlüsse
des Energiespeicherblocks angeschlossen. Die einzelnen Widerstände 321, 323, 322 bis 32n umfassen
jeweils den gleichen Widerstandswert und erzeugen somit das gleiche
Widerstandsverhältnis.
Die Anzahl der Widerstände
entspricht der Anzahl der Energiespeicherzellen innerhalb des Energiespeicherblocks 100.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind Knoten PS2, PS3 in der Generatorschaltung 30a vorgesehen,
an denen eine von der Generatorschaltung 30a erzeugte Referenzspannung
abgreifbar ist. Diese wird den Komparatoren 300, 301 der
Vergleichsschaltung 30 zugeführt. An den Komparatoren 300, 301 liegt
somit jeweils die gleiche Referenzspannung an, die der Durchschnittsspannung,
das heißt
der vom Energiespeicherblock 100 abgegebenen Spannung dividiert
durch die Anzahl der im Energiespeicherblock 100 vorhandenen Referenzspeicherzellen
entspricht. Zusätzlich
ist ein zweiter Differenzeingang eines jeden Komparators 300, 301 mit
entsprechenden Knoten zwischen zwei Energiespeicherzellen verbunden.
Dadurch erfasst jeder der Komparatoren eine Zellenspannung der Energiespeicherzellen
des Energiespeicherblocks 100 im Wesentlichen gleichzeitig
und vergleicht diese mit der Referenzspannung.
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In
dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass abhängig von dem Ergebnis eines
derartigen Vergleichs der Komparator 301 die Steuergeneratorschaltung 250 ansteuert.
Je nach Differenz zwischen der durchschnittlichen Spannung, der
Referenzspannung und der individuellen Zellspannung der Energiespeicherzelle 102 wird
der Kondensator 209 nun so geschaltet, dass er Ladung vom
Energiespeicherblock auf die Energiespeicherzelle transferiert oder
umgekehrt.
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Mit
Hilfe des in 4 dargestellten DC/DC-Wandlers
kann so ein Ladungsausgleich von der höheren Spannung auf die niedrigere
Spannung erfolgen. Ist die Blockspannung die höhere, erfolgt ein Ladungstransfer in
Richtung auf die niedrigere Zellenspannung. Der Ladungstransport
ist paketweise – Kondensator
auf höhere Blockspannung
aufladen und Ladung auf niedrigere Zellenspannung transferieren.
Der Kondensator kann dabei entsprechend gewählt werden, sodass ein Ladungsausgleich
kon tinuierlich aber auch zu bestimmten Zeiten, in sogenannten Zeitslots
während
eines Lade- beziehungsweise Entladevorgangs durchführbar ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
zeigt 5, bei der lediglich ein DC/DC-Wandler 20 für den Ladungsausgleichvorgang
einzelner Energiespeicherzellen vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform
wird vorgeschlagen, die Spannung der Energiespeicherzellen sowohl
sequentiell zu messen und mit einer entsprechenden Referenzspannung
zu vergleichen als auch den Ladungsausgleich sequentiell durchzuführen.
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Die
Ladungsausgleichsschaltung 1 ist in dieser Ausführungsform
in einem Halbleiterkörper
beziehungsweise in einem vom Kunststoff umgebenen Gehäuse mit
diskreten oder integrierten Bauelementen implementiert. Einzelne
Pins im Gehäuse
sind für
den Anschluss an die Energiespeicherzellen und den Energiespeicherblock 100 vorgesehen.
Weitere Anschlüsse
dienen zur Kontaktierung eines extern angeordneten DC/DC-Wandlers,
sofern dies erforderlich ist beziehungsweise wenn größere Ladungsmengen
in einem Stück transferiert
werden sollen. Diagnose und Steuerpins sind ebenso vorgesehen.
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Die
Ladungsausgleichsschaltung umfasst neben dem integrierten DC/DC-Wandler 20 auch
eine Multiplexerschaltung 500 und eine Kontroll- und Steuerschaltung 510.
Die Multiplexerschaltung enthält
mehrere Eingänge,
die jeweils mit den Anschlussklemmen 114 bis 119 sowie 113 des
Energiespeicherblocks beziehungsweise der Energiespeicherzellen
verbunden sind. Im Einzelnen ist die Multiplexerschaltung hierzu
mit den Pins 1 bis 7 der Ladungsausgleichsschaltung verbunden, die
ihrerseits an die entsprechenden Knoten angeschlossen sind. Zusätzlich sind
Schalter M1 bis M7 vorgesehen, wobei die Schalter M2, M4 und M6
zur Schalterstruktur 215 führen, welche Teil des DC/DC-Wandlers 20 bildet.
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Die
Schalterstruktur stellt gleichzeitig einen Anschluss der zweiten
Anschlussklemme des DC/DC-Wandlers 20 dar. Der zweite Anschluss
des zweiten Anschlussklemmenpaares ist mit den Schaltern M7, M5,
M3 und M1 verbunden. Die beiden Anschlüsse des zweiten Anschlussklemmenpaares
führen
zur Sekundärseite
eines Transformators, der neben einer Sekundärspule 202 zwei Dioden 206a, 206b umfasst,
die jeweils mit Kondensatoren 220 und 221 verbunden
sind. Die Kondensatoren 220 und 221 sind parallel
zum ersten und zweiten Anschluss des zweiten Anschlussklemmenpaares
geschaltet. Im Einzelnen ist der Kondensator 220 mit der
Schottky-Diode 206a und dem Anschluss P der Schalterstruktur 215 gekoppelt,
der Kondensator 221 mit der Diode 206b und dem
Schalter N der Schalterstruktur 215. Die Diodenstruktur 206a und 206b dient
zur Auswahl der negativen beziehungsweise positiven Halbwelle einer
in der Sekundärseite
induzierten Spannung und damit zu einer wahlweisen Steuerung des
Ausgangssignals für
den Ladevorgang auf die Energiespeicherzellen.
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Mit
der Schalterstruktur 215 und den zusätzlichen Schaltern M1 bis M7
lassen sich so zusätzliche Schalter
einsparen, die andernfalls erforderlich wären, wenn der DC/DC-Wandler
lediglich eine Ausgangsspannung mit fester Polarität liefert.
Ausgangsseitig ist die Multiplexerschaltung 500 mit einer
Komparatorschaltung 300a verbunden. Diese vergleicht über ihre
Eingangsanschlüsse 351 und 352 die
von der Multiplexermatrix 500 bereitgestellte Zellenspannung
mit einer Referenzspannung an den Anschlüssen 353 und 354. Die
Referenzspannung ergibt sich hierzu aus einem Spannungsteiler 30a,
der mehrere in Reihe geschaltete Widerstände aufweist. Die Anzahl der
Wider stände 321, 322 bis 326 entspricht
der Anzahl der Energiespeicherzellen 101 bis 106.
Die Werte der einzelnen Widerstände
ist jeweils gleich groß.
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Zu
Diagnosezwecken ist zusätzlich
eine Referenzschaltung vorgesehen, mit deren Hilfe der Vergleicher 300a die
Zellenspannung an den Anschlüssen 351 und 352 vergleicht
und ein Diagnosesignal am Ausgang 357 abgibt.
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Das
Ergebnis des Vergleichs der Zellenspannung mit der Referenzspannung
wird einer Kontroll- und Steuerschaltung am Ausgang 358 zugeführt. Diese
speichert das Ergebnis zwischen und schaltet die Multiplexermatrix 500 anschließend auf
einen neuen Eingang, um so sequentiell die Zellenspannungen aller
Energiespeicherzellen zu ermitteln und mit der Referenzspannung
zu vergleichen. Abhängig
davon wird der DC/DC-Konverter 20 angesteuert. Zusätzlich kann
der Schalter EN von der Kontrollschaltung geöffnet werden, um Strom zu sparen,
wenn nichts gemessen wird. Zusätzlich
steuert die Steuerschaltung 510 die Schalterstruktur 215 und
die Schalter M1 bis M7 entsprechend an und transferiert so Ladung
von dem Energiespeicherblock auf die individuellen Energiespeicherzellen
innerhalb des Speicherblocks. Je nach ausgewählter Energiespeicherzelle 101 bis 106 ist
es notwendig, entweder den Schalter P oder den Schalter N der Schalterstruktur 215 zu
schließen
und so die richtige negative oder positive Halbwelle der induzierten
Spannung in der Sekundärspule 202 den
Energiespeicherzellen zuzuführen.
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Neben
dem internen DC/DC-Wandler ist eine externe Wandleranordnung vorgesehen,
die im vorliegenden Fall in gleicher Weise wie die interne Wandleranordnung
aufgebaut ist. Sie umfasst einen Transformer mit einer Sekundärspule 202a und
einer Primärspule 204a.
Die Primärspule 204a ist
mit ihren An schlüssen parallel
zu einer Schottky-Diode 203a ausgeführt und an einen Steuerschalter 255 zur
Zuführung
der Spannung des Energiespeichers ausgebildet. Der externe Schalter 255a wird
von dem internen Pulsgenerator 250 des DC/DC-Konverters 20 angesteuert.
Sekundärseitig
ist eine zweite Spule 202a wieder über die Dioden 206c und 206d mit
Kondensatoren 221a und 220a verbunden. Die Kondensatoren
sind an externe Pins N und P der Ladungsausgleichsschaltung sowie
an den Massepin G geführt.
Wie im Ausführungsbeispiel
angedeutet, lässt
sich über
einen externen angeordneten DC/DC-Wandler ein größerer Strom und damit ein größerer Ladungstransfer
erreichen als über
den intern angeordneten Wandler.
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Zum
Ausgleich der einzelnen Energiespeicherzellen
101 bis
106 zeigt
die Tabelle 1 die jeweils geschlossenen Schalter M1 bis M7 beziehungsweise
P und N der Schalterstruktur
215. In dieser Ausführungsform
wird somit ein Ladungstransfer und Ladungsausgleich der Energiespeicherzellen
sequentiell und nacheinander durchgeführt.
| Zelle | Geschl.
Schalter | Struktur 215 |
| Zelle1 | M1,
M2 | N |
| Zelle2 | M2,
M3 | P |
| Zelle3 | M3,
M4 | N |
| Zelle4 | M4,
M5 | P |
| Zelle5 | M5,
M6 | N |
| Zelle6 | M6,
M7 | P |
-
Eine
alternative Ausführungsform
zum gleichzeitigen Erfassen der Zellspannungen einer jeden Energiespeicherzelle
innerhalb eines Energiespeicherblocks zeigt 6.
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In
dieser Ausführung
sind sechs Vergleicher C1 bis C6 vorgesehen, denen eingangsseitig
jeweils eine individuelle Zellen spannung der Energiespeicherzellen 101 bis 106 zugeführt wird.
So ist beispielsweise der Vergleicher C1 mit den Pins 1 und 2 der
Ladungsausgleichsschaltung auf dem Gehäuse und damit mit den Anschlussklemmen 114 und 115 verbunden,
zwischen denen die erste Energiespeicherzelle 101 angeordnet ist.
Komparator C4 ist mit den Anschlussklemmen 117 und 118 gekoppelt,
zwischen denen die Energiespeicherzelle 104 angeordnet
ist. Somit ist jeden der Komparatoren C1 bis C6 eine Energiespeicherzelle
zugeordnet und deren Zellenspannung wird dem entsprechenden Komparator
zugeführt.
-
Zusätzlich enthält die Ladungsausgleichsschaltung
eine Generatorschaltung 30a in Form eines Widerstandsteilers
mit sechs Widerständen 321 bis 326,
die jeweils den gleichen Wert aufweisen. Knoten zwischen den Widerständen dienen
zum Abgreifen einer Referenzspannung, die den jeweiligen Komparatoren
C1 bis C6 zugeführt
wird. Im Einzelnen wird die Referenzspannung des Widerstands 322,
die an den Knoten PS1 und PS2 anliegt, dem Komparator C2 zugeführt, die
Teilerspannung des Widerstandes 323 an den Knoten PS2 und
PS3 dem Komparator C3. In diesem Zusammenhang veranschaulicht die
Schaltung der 6 und die dort genannten Bezugszeichen,
welche Signale an welchen Komparatoren anliegen.
-
Die
Komparatoren C1 bis C6 haben zusätzlich
zwei Referenzeingänge
für je
ein Referenzsignal für
die maximal und minimal erlaubte Zellenspannung, wobei hier lediglich
für den
Komparator C1 der Referenzeingang aus Übersichtsgründen angedeutet ist. Die Referenzeingänge R1 und
R2 für
die Komparatoren dienen zur Erzeugung eines entsprechenden Diagnosesignals
am Ausgang Diagnose der Ladungsausgleichsschaltung.
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In
dieser Ausführungsform
sind somit die Komparatoren mit jeder der Energiespeicherzellen
und jeweils einem Widerstand des Widerstandsteilers zur Erzeugung
der Referenzspannung verbunden. Diese konkrete Ausgestaltung, insbesondere
die Verbindung eines jeden Komparators mit dem dazu korrespondierenden
Widerstand innerhalb der Widerstandskette des Spannungsteilers,
reduziert Gleichsignaleffekte. Die simultane Messung in den Komparatoren
C1 und C2 und der gleichzeitige Vergleich der gemessenen Zellspannungen
mit der Referenzspannung erlaubt es auch bei sich verändernden äußeren Umweltbedingungen,
beispielsweise dem Beladen mit veränderlichen Strömen oder
Spannungen, dem Entladen oder einer Änderung angeschlossener Lasten
einhergeht. Das Ergebnis des durchgeführten Vergleichs in jeder der
Komparatoren C1 bis C6 wird der Steuerschaltung zugeführt, die
daraus die Steuersignale für
die Schalter M1 bis M7, die Schalter N und P der Schalterstruktur 215 und
den Pulsgenerator 250 des DC/DC-Wandlers erzeugt. Ein Ladungstransfer
erfolgt auch hier wiederum durch Aufladen der individuellen Energiespeicherzellen 101 bis 106 solange,
bis die von ihnen abgegebene Spannung gleich der durchschnittlichen
Spannung des Energiespeicherblocks entspricht. Falls notwendig,
ist auch hier vorgesehen, einen externen DC/DC-Wandler mit der Ladungsausgleichsschaltung über die
Pins N, P und G anzuschließen,
um so größere Ladungsströme für den Ausgleich
bereitstellen zu können.
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Die
in den 5 und 6 dargestellten Komparatoren
C1 bis C6 sind ausgeführt,
neben einem Vergleich der individuellen Zellenspannung mit der Referenzspannung
auch die Zellenspannung mit Maximalwerten und mit Minimalwerten
zu vergleichen. Dadurch kann ein Überladen beziehungsweise auch
eine Beschädigung
einzelner Energiespeicherzellen erkannt und im Fehlerfall ein Diagnosesignal
erzeugt werden. Zu diesem Zweck ist auch die Referenzschaltung REF
in den Ladungsausgleichsschaltungen der 5 und 6 vorgesehen.
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Eine
Ausführungsform
der Komparatoren C1 bis C6 zeigt 7. Die dort
dargestellte Vergleichsschaltung 300a umfasst einen ersten
Wandler 310 sowie einen zweiten Wandler 340. Dem
ersten Wandler 310 wird das differentielle Zellenspannungssignal
zugeführt,
der daraus ein resultierendes Signal erzeugt, das differenziell
auf Masse bezogen ist und an einem ersten Eingang eines Vergleichers 330 weiterleitet.
Der zweite Wandler 340 erzeugt ein Signal aus dem an den
Eingängen 353 und 354 anliegenden
Differenzsignal der Referenzspannung und gibt dieses ebenfalls an
einen zweiten Eingang des Vergleichers 330 ab. Dieser vergleicht
die beiden auf Masse bezogenen Signale miteinander und erzeugt daraus
das Steuersignal am Ausgang 358.
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Parallel
hierzu ist ein zweiter Vergleicher 320 vorgesehen, der
das Differenzsignal der Zellenspannung an den Anschlüssen 351 und 352 mit
einem Differenzsignal an den Anschlüssen 356 und 355 vergleicht.
Dieser Spannungsvergleicher 320 dient zur Überwachung
der oberen und unteren Spannungsschwelle einer jeden Zelle, um im
Fehlerfall ein Diagnosesignal zu erzeugen.
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In
den hier dargestellten Ausführungsformen
ist die Generatorschaltung über
einen Widerstandsteiler realisiert. 8 zeigt
demgegenüber
eine andere Ausführungsform
mittels eines Digital/Analog-Wandlers DAC. Diesem wird die vom Energiespeicherblock
bereitgestellte Spannung als Versorgungsspannung und zugleich auch
als Referenzspannung zugeführt.
Sofern diese Spannung zu hoch sein sollte, kann auch einem fest
vorgegebenen Verhältnis
definierte Spannung als Versorgungsspannung verwendet werden. Auch
diese sollte jedoch der Spannung des Energiespeicherblocks abgeleitet
sein.
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Als
digitales Eingangswort Digital Input wird dem Digital/Analog-Konverter
DAC nun ein Wort zugeführt,
welches vom Wandler DAC in ein analoges Differenzsignal umgewandelt
und an den Ausgangsanschlüssen 360 und 361 bereitgestellt
wird. Dazu verwendet der Wandler DAC der Generatorschaltung 30c die
Versorgungsspannung. Das digitale Wort wird nun so gewählt, dass
die sich ergebende analoge Ausgangsspannung des Wandlers an den
Anschlüssen 360 und 361 im
Wesentlichen dem N-Kennteil der Spannung des Energiespeicherblocks
entspricht. Auf diese Weise lässt
sich in der Generatorschaltung 30c auch flexibel und abhängig vom
Digitalwort entsprechende Referenzspannungen erzeugen. Die erfindungsgemäße Ladungsausgleichsschaltung
kann so auch für
Energiespeicherblöcke
mit einer unterschiedlichen Anzahl an Energiespeicherzellen eingesetzt
werden.
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Einen
weiteren Aspekt betrifft die Pulsgeneratorschaltung 250 der
DC/DC-Wandler. Diese soll ein getaktetes Steuersignal an den Schalter 255 abgeben,
sodass sich in der Primärspule
ein induktiver Spannungsstoß ergibt.
Ebenso ist es möglich,
einen entsprechenden Pulsgenerator auch zur Ansteuerung eines Wandlers
zu verwenden, welcher mit Switched-Capacitor-Technik arbeitet. Zu
diesem Zweck enthält
die Pulsgeneratorschaltung 250 oftmals einen Oszillator
zur Erzeugung eines Taktsignals. Ein derartiger einfacher Ringoszillator
ist in 9 dargestellt.
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Er
enthält
eine Vielzahl hintereinander geschalteter Inverterstufen, wobei
die letzte Inverterstufe als Ausgangspuffer dient. Zwischen der
letzten und der vorletzten Inverterstufe ist ein Knoten vorgesehen,
der an den Eingang der ersten Inverterstufe rückgeführt wird. Die Anzahl der Inverter
innerhalb der Inverterkette sowie ihre zeitliche Verzögerung ergibt
die Frequenz des Ringoszillators vor. Ein Ringoszillator in dieser
einfachen Ausführungsform
eignet sich zur periodischen Ansteuerung eines Schalters des DC/DC-Wandlers,
sodass dieser im Betrieb ein wechselspannungsähnliches Signal der Primärseite zuführt.
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Die
vorgeschlagene Erfindung ermöglicht
somit in einem Energiespeicherblock, insbesondere einem Battery
Pack, eine Ungleichheit einzelner Energiespeicherzellen beziehungsweise
einzelner Batterien auszugleichen, und somit einen unterschiedlich
großen
Selbstentladungseffekt zu kompensieren. Die vorgeschlagene Lösung transferiert
zu diesem Zweck Ladung vom Energiespeicherblock auf die individuellen
Zellen beziehungsweise umgekehrt, um alle Energiespeicherzellen
innerhalb eines Energiespeicherblockes auf im Wesentlichen gleicher
Spannung zu halten.
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Sofern
lediglich geringe Ladungen transferiert werden, kann die Ladungsausgleichsschaltung
vollständig
autonom und kontinuierlich arbeiten. Die dargestellten Ausführungsformen,
insbesondere in Form des DC/DC-Wandlers und der Vergleichsschaltung,
lassen sich mit einfachen Elementen realisieren, sodass ein Stromverbrauch
der Ladungsausgleichsschaltung relativ gering ist. Zusätzlich kann
die Ladungsausgleichsschaltung durch externe Steuersignale aktiviert
beziehungsweise deaktiviert werden.
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Die
Vergleichsschaltung kann ausgeführt
sein, lediglich beim Überschreiten
einer vorbestimmten Differenz zwischen den Zellspannungen einer
Speicherzelle und der durchschnittlichen Spannung des Energiespeicherblockes
anzusprechen und ein Steuersignal an den DC/DC-Wandler zur Initialisierung
eines Ladungstransfers abzugeben. Dieser Vorgang ist autonom und
kann selbstkalibrierend durchgeführt
werden, solange die La dungsausgleichsschaltung aktiv ist. Gegebenenfalls
ist es auch möglich,
ein externes Taktsignal als Ersatz für den Pulsgenerator zum Betrieb
des DC/DC-Wandlers anzulegen. Dies erlaubt es, auch extern die Ladungsausgleichsschaltung
betreiben zu können.
-
Beispielsweise
kann eine externe Echtzeituhr oder eine Low-Power-Timerschaltung hierfür verwendet werden,
sodass die Ladungsausgleichsschaltung lediglich in vordefinierten
Zeitabschnitten betrieben wird.
-
In
einem weiteren Aspekt ist die Vergleichsschaltung zusätzlich zu
einem Vergleich einer individuellen Zellspannung mit Referenzwerten
ausgestaltet, die eine untere beziehungsweise obere maximale Grenze
darstellt. Dadurch wird ein schadhaftes Überladen beziehungsweise Entladen
einer jeden Zelle vermieden. Die erfindungsgemäße Ladungsausgleichsschaltung
kann für
Battery Packs beispielsweise auf Lithiumionenbasis, Superkondensatoren
oder jede andere Art von elektrochemischer Speicherzelle beziehungsweise
Speicherpack verwendet werden.
-
- 1
- Ladungsausgleichsschaltung
- 2
- DC/DC-Wandler
- 30
- Vergleichsschaltung
- 100
- Energiespeicherblock,
Battery Pack
- 101,
102, ... 112
- Energiespeicherzellen,
Batterien
- 113,
114
- Anschlussklemmen,
erstes Anschlussklemmenpaar
- 115,
116, ... 119
- Anschlussklemmen,
zweites Anschlussklemmenpaar
- 202,
204
- Spulen
- 205,
206, 206a, ... 206d
- Dioden,
Schottky-Dioden
- 201,
203
- Kondensatoren
- 209
- Kondensator
- 210,
211
- Schalter
- 215
- Schalterstruktur
- 250
- Generatorschaltung
- 255
- Steuerschalter
- 30a
- Generatorschaltung
- 321,
322, ... 326, 32n
- Widerstände
- 320,
330
- Vergleicher
- 310,
340
- Gegentakt-Eintaktwandler
- 351,
... 354
- Anschlüsse
- 357
- Diagnoseausgang
- 358
- Vergleichsausgang
- 510
- Steuerschaltung
- C1,
C2, ... C6
- Komparatoren
- REF
- Referenzschaltung
- M1,
M2, ... M7
- Schalter
- NP
- Schalter
- 300,
301
- Komparatoren
- 30c
- Generatorschaltung
- 100a,
100b
- Energiespeicherblöcke, Battery
Packs