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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator.
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Die Erfindung betrifft auch ein Energiespeichersystem mit mindestens zwei Akkumulatoren, die in einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung angeordnet sind.
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Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator in Abhängigkeit von einer Akkumulatorspannung des Akkumulators.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator.
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Das Laden eines Akkumulators und insbesondere von mehreren Akkumulatoren, die in mindestens einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung angeordnet sind, ist bereits seit Langem bekannt. Dabei war es im Wesentlichen ausreichend, den Versorgungsanschluss des Akkumulators bzw. des Netzwerks aus Akkumulatoren mit einer Energiequelle zu verbinden und einen Ladestrom bei einer bestimmten Ladespannung einzuprägen.
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Je weniger Ladestrom dem Akkumulator oder dem Netzwerk aus Akkumulatoren zugeführt werden konnte, desto weiter war der Aufladeprozess fortgeschritten. Wurde dabei ein bestimmter Mindestwert für den Ladestrom unterschritten, konnte der Ladevorgang beendet werden. Dieser einfache Ladeprozess war möglich, da die bekannten Bleiakkumulatoren hinsichtlich einer zu hohen Ladespannung oder einer zu tiefen Entladung ein eher unkritisches Verhalten haben.
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In den vergangenen Jahren haben Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Li-Ionen-Akkus) aufgrund ihrer hohen Energiedichte einen ganz erheblichen Anstieg in der Nachfrage erfahren. Aus der Vielzahl von Konzepten von Akkumulatoren auf Lithium-Basis soll dabei insbesondere auf die Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren (LiFePO4-Akkus) hingewiesen werden, die hohe Lade- und Entladeströme ermöglichen und im Vergleich zu herkömmlichen Li-Ionen-Akkus explosionssicher sind.
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Allerdings sind Li-Ionen-Akkus – anders als die herkömmlichen Blei-Akkus – sehr empfindlich im Hinblick auf eine zu hohe Ladespannung oder einer zu tiefen Entladung. Bereits kleinere Abweichungen, die für herkömmliche Blei-Akkus völlig unkritisch wären, führen dazu, dass ein Li-Ionen-Akku ganz erhebliche Kapazitätseinbußen erleidet, die nicht reparabel sind.
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Um diesen neuen Anforderungen Rechnung zu tragen, sind in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen worden, um beim Laden und Entladen von Li-Ionen-Akkus in einem engen Spannungsbereich um den idealen Spannungspunkt (ca. 3,2–3,3 Volt) herum zu bleiben. Während diese Aufgabe bei einem einzelnen Akku noch einfach ist – man kann die Spannung direkt am Akku messen –, wird dies bei Netzwerken von Akkumulatoren immer schwieriger, je mehr Akkumulatoren in mindestens einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung angeordnet sind.
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Eine Möglichkeit besteht darin, während des Herstellungsprozesses eines solchen Netzwerks aus Akkumulatoren solche Akkumulatoren auszuwählen, die in etwa über dieselbe Lade-/Entladecharakteristik verfügen. Wenn dann aufgrund des Netzwerkaufbaus, insbesondere bei einer Reihenschaltung, die Situation gegeben ist, dass alle Akkumulatoren des Netzwerks im Wesentlichen mit demselben Ladestrom und derselben Ladespannung beaufschlagt werden können, so kann aus dem Ladeverhalten des Netzwerks auf den Ladezustand der einzelnen Akkumulatoren geschlossen werden.
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Dieses Vorgehen ist jedoch teuer und unbefriedigend, da einerseits ein aufwändiger Charakterisierungsprozess für die einzelnen Akkumulatoren durchgeführt werden muss und andererseits die einzelnen Akkumulatoren, selbst bei gleichen Startbedingungen, unterschiedliche Variationen bezüglich Temperatur und Alterungseffekten zeigen. Daher haben selbst Netzwerke von gleichartigen Akkumulatoren bei herkömmlicher Ladetechnik nur eine sehr begrenzte Lebensdauer.
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Um die unterschiedlichen Charakteristiken der Akkumulatoren in einem Netzwerk zu berücksichtigen, ist es daher gemäß dem Stand der Technik erforderlich, jeden einzelnen Akkumulator während des Ladevorgangs zu überwachen. In diesem Zusammenhang sei bspw. auf
US 2003/0141843 A1 und auf
US 2008/0272735 A1 verwiesen.
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Das Prinzip dieser Vorrichtungen ist, jede einzelne Zelle hinsichtlich eines maximalen Spannungswerts zu überwachen und bei einem Überschreiten der Spannung an einer Zelle mittels eines gekoppelten induktiven Speicherelements bei dem betroffenen Akku den Ladestrom in einen induktiven Gesamtspeicher zu überführen und aus diesem in andere, weniger stark geladene Akkus des Netzwerks aus Akkumulatoren zu überführen. Mit anderen Worten wird dem zuviel geladenen Akku Energie entnommen und auf andere, zu wenig geladene Akkus verteilt. Aufgrund des benötigten induktiven Gesamtspeicherelements werden die vorgeschlagenen Vorrichtungen mit steigender Anzahl an Akkumulatoren jedoch immer teurer und ineffizienter.
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Eine andere Technik zum Angleichen von Ladungsniveaus zweier Akkumulatoren ist aus
US 2009/0195079 A1 bekannt. Hier wird unter Zuhilfenahme eines induktiven Speicherelements, welches abwechselnd mit einem ersten Akkumulator und einem zweiten Akkumulator verbunden werden kann, Energie aus dem Akkumulator mit der höheren Ladespannung entnommen und in den Akkumulator mit der niedrigeren Ladespannung übergeben.
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Die Wirkung der vorgeschlagenen Schaltung ist jedoch auf jeweils zwei Akkus beschränkt und erfordert immer noch einen verhältnismäßig komplexen Aufbau, wenn unter Verwendung mehrerer Schaltungen die Energie eines Akkus an einen weit entfernt angeordneten Akku verschoben werden soll. Dabei besteht außerdem die Gefahr, dass auf dem Weg der Energieverlagerung andere Akkus in Mitleidenschaft gezogen werden, die eigentlich bereits ausreichend geladen sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator aufzuzeigen. Dabei soll insbesondere eine Verbesserung dahingehend erzielt werden, dass kein zentraler Aufbau mehr erforderlich ist, der zumindest eine Gruppe von mehrere Akkumulatoren überwacht und dann innerhalb der Gruppe der mehreren Akkus die Energie neu verteilt.
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Ferner soll ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator aufgezeigt werden. Außerdem soll ein verbessertes Energiespeichersystem mit mindestens zwei Akkumulatoren aufgezeigt werden, bei dem die Akkumulatoren in einer Topologie von mindestens einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung angeordnet sind. Schließlich soll eine verbesserte Verwendung einer Vorrichtung zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator in Abhängigkeit von einer Akkumulatorspannung des Akkumulators aufgezeigt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Steuern eines Ladestroms in einem Akkumulator, die Vorrichtung mit
- – einem ersten Port, der dafür ausgebildet ist, mit einem ersten Pol des Akkumulators verbunden zu werden,
- – einem zweiten Port, der dafür ausgebildet ist, mit einem zweiten Pol des Akkumulators verbunden zu werden,
- – einer Akkumulatorspannung, die zwischen dem ersten Pol und dem zweiten Pol anliegt,
- – einem Energieübertrager, der ein erstes induktives Element, ein zweites induktives Element und ein gemeinsames Magnetflusselement aufweist und der derart zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port angeordnet ist, dass beide induktiven Elemente parallel zu den beiden Ports angeordnet sind,
- – einem ersten Schaltelement, das in Reihe zum ersten induktiven Element angeordnet ist,
- – einem zweiten Schaltelement, das in Reihe zum zweiten induktiven Element angeordnet ist,
- – einem Spannungsmesser, der dafür ausgebildet ist, eine Spannung zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port zu messen, und
- – einer Steuereinrichtung, die dafür ausgebildet ist, das erste und das zweite Schaltelement so anzusteuern, dass die Schaltelemente eine Abfolge von Schließ- und Öffnungsvorgängen durchführen, so dass in einem ersten Schaltzustand ein zum ersten Port geführter Strom zumindest teilweise als Umgehungsstrom am Akkumulator vorbei über den Energieübertrager zum zweiten Port geführt wird und in einem zweiten Schaltzustand eine Gegenspannung erzeugt wird, die die Akkumulatorspannung zumindest kurzzeitig senkt.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung verwendet einen Energieübertrager mit zwei induktiven Elementen, die über ein gemeinsames Magnetflusselement gekoppelt sind, um einen Ladestrom und/oder dessen Energie, der in Richtung des Akkumulators fließt, zumindest zu reduzieren. Um dies zu erzielen, werden die Schaltelemente, die dem Energieübertrager zugeordnet sind, derart angesteuert, dass der Energieübertrager in einen ersten Schaltzustand und dann in einen zweiten Schaltzustand geschaltet wird. Bevorzugt wird der Energieübertrager wiederholt in den ersten und in den zweiten Schaltzustand geschaltet.
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Im ersten Schaltzustand ist das erste Schaltelement geschlossen, so dass das erste induktive Element parallel zum ersten und zweiten Port liegt, also parallel zu den Polen des Akkumulators. Dadurch stellt sich ein Umgehungsstrom über das erste induktive Element ein, der nach dem Schalten in den ersten Zustand in Richtung eines maximalen Umgehungsstroms ansteigt.
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Der Umgehungsstrom bewirkt einerseits, dass ein Teil des Ladestroms am Akkumulator vorbeigeführt wird und somit nicht zum Laden des Akkumulators zur Verfügung steht. Andererseits bewirkt der Umgehungsstrom beim Durchfließen des ersten induktiven Elements, dass in dem Magnetflusselement eine Energie in der Form eines magnetischen Flusses gespeichert wird.
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Im zweiten Schaltzustand ist das zweite Schaltelement geschlossen und das erste Schaltelement geöffnet, so dass das zweite induktive Element parallel zum ersten und zum zweiten Port, also parallel zu den Polen des Akkumulators, geschaltet ist. Der in dem gemeinsamen Magnetflusselement gespeicherte magnetische Fluss bewirkt nun, dass am zweiten induktiven Element eine Gegenspannung erzeugt wird, also eine Spannung, die in ihrer Polarität entgegengesetzt zur Akkumulatorspannung ist. Da die Gegenspannung unmittelbar an den beiden Ports anliegt, wird die Akkumulatorspannung zumindest kurzzeitig gesenkt.
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Um das Wirkprinzip dieses zweiten Zustands zu verdeutlichen, sei angenommen – wie es in der Praxis auch tatsächlich der Fall ist –, dass der Akkumulator in Reihe mit einem weiteren Element mit einem resistiven Anteil geschaltet ist. Bei diesem weiteren Element kann es sich insbesondere um weitere Akkumulatoren einer Reihenschaltung von Akkumulatoren handeln. Dadurch, dass die an den Polen des Akkumulators messbare Akkumulatorspannung zumindest kurzzeitig abgesenkt wird, wird bewirkt, dass sich die Spannung an dem weiteren Element zumindest kurzzeitig erhöht. Dadurch wird der Akkumulator, dessen Energieübertrager in den zweiten Zustand geschaltet ist, gegenüber dem weiteren Element mit höherer Spannung gewissermaßen benachteiligt und erhält dadurch weniger Ladestrom.
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Eine Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass die Vorrichtung ihre Steuerungsfunktion autark wahrnehmen kann. Dies bedeutet konkret, dass weder eine zentrale Steuerung noch eine definitive Zuweisung erforderlich ist, einen bestimmten Energiebetrag aus einem Akkumulator in einen anderen Akkumulator zu verschieben. Vielmehr kann die Vorrichtung autark feststellen, dass der ihr zugeordnete Akkumulator ausreichend geladen ist, und dann den Energieübertrager, insbesondere wiederholt, in den ersten und in den zweiten Zustand schalten.
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Im ersten Zustand wird dann ein Umgehungsstrom am Akkumulator beigeführt, wobei keinerlei Kenntnis über den Ladezustand der anderen Akkumulatoren in einem Netzwerk von Akkumulatoren, insbesondere in einer Reihenschaltung von Akkumulatoren, vorhanden sein muss. Im zweiten Zustand wird der Akkumulator gegenüber anderen Akkumulatoren in dem Netzwerk, insbesondere in der Reihenschaltung, aufgrund der erzeugten Gegenspannung benachteiligt und erhält weniger Ladestrom bzw. weniger Ladeenergie. Auch der zweite Zustand benötigt keine Information über die Ladezustände der anderen Akkumulatoren, da sich die genannte Benachteiligung allein aus den physikalischen Grundgesetzen eines elektrischen Netzwerks ergibt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den genannten Schaltelementen um beliebige Schaltelemente handeln kann, bevorzugt Halbleiterschaltelemente und insbesondere MOSFETs, IGBTs oder Bipolartransistoren. Ferner sei darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Magnetflusselement um ein beliebiges Element handeln kann, in dem sich ein magnetischer Fluss einstellen kann. Bevorzugt wird das Magnetflusselement als Eisenkern ausgebildet. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den induktiven Elementen um beliebige Elemente handeln kann, bei denen ein zeitlich variabler Strom eine zur Änderungsgeschwindigkeit des Strom proportionale Spannung hervorruft.
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Damit ist die Aufgabe vollständig gelöst.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Energieübertrager als Transformator, das erste induktive Element als eine erste Spule und das zweite induktive Element als eine zweite Spule ausgebildet.
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Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige und kompakte Ausgestaltung. Zudem lässt sich eine besonders gute Ankopplung des ersten induktiven Elements und des zweiten induktiven Elements an das gemeinsame Magnetflusselement erzielen und so die Verluste durch einen Streufluss gering halten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Übersetzungsverhältnis von erster Spule und zweiter Spule zumindest ungefähr zu 1 gewählt.
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Grundsätzlich kann das Übersetzungsverhältnis so gewählt werden, wie es für die jeweilige Anwendung gewünscht ist. Für einen besonders einfachen Aufbau ist es aber von Vorteil, wenn das Übersetzungsverhältnis zumindest ungefähr zu 1 gewählt ist, damit der Betrag der Gegenspannung, die im zweiten induktiven Element bzw. in der zweiten Spule erzeugt wird, dem Betrag der Spannung in dem ersten induktiven Element bzw. in der ersten Spule entspricht. Daher ist es vorteilhaft, wenn eine Windungszahl der ersten Spule einer Windungszahl der zweiten Spule zumindest ungefähr entspricht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine erste Wicklungszahl der ersten Spule und eine zweite Wicklungszahl der zweiten Spule kleiner als 50, bevorzugt kleiner als 10, besonders bevorzugt kleiner als 5 und insbesondere kleiner als 3 gewählt.
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Bei dieser Ausgestaltung kann die Vorrichtung besonders effektiv betrieben werden. Um die beiden Zustände des Energieübertragers möglichst effektiv nutzen zu können, sollte im ersten Zustand möglichst schnell ein ausreichend größer Strom durch das erste induktive Element fließen können. Dies erreicht man insbesondere dadurch, dass das erste induktive Element eine geringe Induktivität hat. Außerdem sollte das zweite induktive Element bevorzugt denselben kleinen Induktivitätswert haben. Da die Induktivität näherungsweise quadratisch zur Windungszahl ansteigt, sollte die Windungszahl von erster und zweiter Spule daher gering gehalten werden. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Windungszahl zumindest ungefähr 1 beträgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Induktivitäten des ersten und des zweiten induktiven Elements kleiner als 2000 nH, bevorzugt kleiner als 1000 nH, besonders bevorzugt kleiner als 500 nH und insbesondere kleiner als 250 nH gewählt.
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Auch diese Ausgestaltungen tragen dazu bei, dass der Energieübertrager im ersten Zustand und im zweiten Zustand besonders effektiv betrieben werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zum zweiten Schaltelement ein unidirektionales Stromleitelement angeordnet.
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Diese Ausgestaltung ermöglich es, dass wenn beim Öffnen des zweiten Schaltelements ein magnetischer Restfluss im gemeinsamen Magnetflusselement verblieben ist, dieser über das unidirektionale Stromleitelement abkommutiert werden kann. Das unidirektionale Stromleitelement ist dabei bevorzugt als Diode und insbesondere als Schottky-Diode ausgeführt. Grundsätzlich kann ein unidirektionales Stromleitelement zusätzlich oder alternativ parallel zum ersten Schaltelement angeordnet sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass sie einen Umgehungsstrom größer als 10 Ampere, bevorzugt größer als 50 Ampere, besonders bevorzugt größer als 100 Ampere und insbesondere größer als 200 Ampere führen kann.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht den Einsatz der Vorrichtung auch in Netzwerken von Akkumulatoren, die über eine hohe, insbesondere sehr hohe, Nennleistung verfügen. Darunter sollen insbesondere solche Topologien bzw. Netzwerke von Akkumulatoren verstanden werden, deren Nennleistung größer als 25 kW, bevorzugt größer als 75 kW, besonders bevorzugt größer als 150 kW und insbesondere größer als 250 kW ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es aufgrund der Konzeption der Vorrichtung nicht erforderlich ist, die Stromangaben für den Umgehungsstrom im Sinne eines Dauerstrom auszulegen. Vielmehr handelt es sich dabei um einen Spitzenstrom, der insbesondere am Ende des ersten Schaltzustands, also direkt vor dem Schalten in den zweiten Schaltzustand erreicht wird. Der resultierende Dauerstrom beträgt ungefähr ein Viertel der hier angegebenen Spitzenwerte.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Überwachungsvorrichtung auf, die mindestens einen Betriebsparameter ausgewählt aus der Gruppe Temperatur des Energieübertragers und Temperatur des Akkumulators mit mindestens einem Schwellenwert vergleicht.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht auf einfache Weise weitergehende Überwachungsmöglichkeiten. Übersteigt die Temperatur des Energieübertragers bspw. einen ersten Temperaturschwellenwert, so kann die Vorrichtung deaktiviert oder schrittweise in ihrer Aktivität reduziert werden. Wird die Temperatur des Akkumulators mit einem zweiten Temperaturschwellenwert verglichen, so können auf einfache Weise mittels der Vorrichtung abnormale Zustände am Akkumulator erkannt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Kommunikationselement mit einer Kommunikationsschnittstelle auf, wobei das Kommunikationselement dafür ausgebildet ist, eine Information aus der Vorrichtung über die Kommunikationsschnittstelle an einen Kommunikationsbus zu senden.
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Diese Ausgestaltung bietet zusätzliche Möglichkeiten, um die Funktionsweise der Vorrichtung zu überwachen. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Topologien bzw. Netzwerken mit vielen Akkumulatoren hilfreich. So kann bspw. über den Kommunikationsbus mitgeteilt werden, wenn eine Vorrichtung aufgrund einer zu hohen Temperatur des Energieübertragers ihre Aktivität reduziert hat, wenn aufgrund der Temperatur des Akkumulators ein Problem signalisiert werden soll oder wenn die Aktivität einer Vorrichtung nach außen signalisiert werden soll. So kann insbesondere vorteilhafterweise überprüft werden, wie viele Vorrichtungen in einer Anordnung von vielen Akkumulatoren aktiv sind, da aus einer Aktivität von vielen Vorrichtungen die Notwendigkeit eines baldigen Beendens des Ladevorgangs abgeleitet werden kann. Es sei aber erneut an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass für eine Funktion der Vorrichtung, insbesondere für den Betrieb von vielen Vorrichtungen mit vielen Akkumulatoren, keine zentrale Steuerung oder Abfragemöglichkeit erforderlich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Energiespeichersystem mit mindestens zwei Akkumulatoren, wobei jeder Akkumulator einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweist und die Akkumulatoren in einer Topologie von mindestens einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung angeordnet sind, wobei mindestens an einem Akkumulator, insbesondere an jedem Akkumulator, eine zuvor beschriebene Vorrichtung elektrisch angeschlossen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator in Abhängigkeit von einer Akkumulatorspannung des Akkumulators.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator, das Verfahren mit den folgenden Schritten:
- – Bereitstellen des Akkumulators, der einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweist, und einer elektrischen Energiequelle, die derart mit dem Akkumulator verbunden ist, dass ein Strom aus der Energiequelle zum ersten Pol des Akkumulators geführt werden kann,
- – Messen einer Akkumulatorspannung zwischen dem ersten Pol und dem zweiten Pol und, wenn die Akkumulatorspannung einen ersten Schwellenwert überschreitet, Ausführen der nachfolgenden Schritte:
- – Zuschalten eines ersten induktiven Elements zwischen den ersten und den zweiten Pol, so dass zumindest ein Teil des zum ersten Pol geleiteten Stroms als Umgehungsstrom über das erste induktiven Elements geführt wird und dort ein Magnetfeld aufbaut,
- – Wegschalten des ersten induktiven Elements,
- – Zuschalten des zweiten induktiven Elements zwischen den ersten und den zweiten Pol, so dass das erzeugte Magnetfeld sich abbaut und dabei eine Gegenspannung erzeugt, die die Akkumulatorspannung zumindest kurzzeitig senkt, und
- – Wegschalten des zweiten induktiven Elements.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Zuschalten und Wegschalten des ersten und des zweiten induktiven Elements mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 500 kHz, bevorzugt zwischen 5 kHz und 100 kHz, besonders bevorzugt zwischen 10 kHz und 50 kHz und insbesondere zwischen 15 kHz und 25 kHz.
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Bei dieser Ausgestaltung lässt sich der Energieübertrager im ersten und im zweiten Zustand besonders effektiv betreiben.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren zusätzlich den Schritt eines Abkommutierens des Energieübertragers auf.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, einen im gemeinsamen Magnetflusselement verbliebenen magnetischen Restfluss abzubauen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung näher dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Topologie von Akkumulatoren in Reihenschaltung, die einen elektrischen Motor speisen und eine entsprechende Ladevorrichtung;
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2 eine Vorrichtung zum Steuern eines Ladestroms in einem Akkumulator;
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3 ein Energiespeichersystem mit drei Akkumulatoren, wobei an jedem Akkumulator eine Vorrichtung gemäß 2 angeordnet ist;
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4 das Energiespeichersystem gemäß 3, wobei alle Vorrichtungen inaktiv sind;
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5 das Energiespeichersystem gemäß 4, wobei sich ein Energieübertrager in einem ersten Schaltzustand befindet;
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6 das Energiespeichersystem gemäß 4, wobei sich ein Energieübertrager in einem zweiten Schaltzustand befindet;
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7 das Energiespeichersystem gemäß 3, wobei ein Energieübertrager abkommutiert wird; und
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8 ein Verfahren zum Steuern eines Ladestroms in einem Akkumulator.
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1 zeigt ein Energiespeichersystem 10 mit einer Vielzahl an Akkumulatoren 12, von denen jeder über einen ersten Pol 14 und einen zweiten Pol 16 verfügt. Die Akkumulatoren 12 sind hier in der Topologie einer Reihenschaltung angeordnet. Das Energiespeichersystem 10 versorgt hier einen elektrischen Motor 18 mit Energie.
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Um das Energiespeichersystem 10 zu laden, steht eine elektrische Energiequelle 20 zur Verfügung. Dabei ist hier ein besonders vorteilhaftes Ladegerät mit I/U-Charakteristik dargestellt, das bis zum Erreichen einer Zielspannung einen Ladestrom IL einprägt. Danach stellt die Energiequelle 20 nur noch eine Erhaltungsspannung bereit, d. h. der Strom IL wird so begrenzt, dass die Spannung am Energiespeichersystem 10 nicht weiter oder nur noch geringfügig ansteigt. Beim Laden des Energiespeichersystems 10 wird der Ladestrom IL aus der Energiequelle 20 zum ersten Pol 14 des ersten Akkumulators 12 geführt und von dort durch die gesamte Reihenschaltung der Akkumulatoren 12 geleitet. Wie eingangs bereits erläutert, entsteht dabei jedoch das Problem, dass einige Akkumulatoren 12 auf eine zu hohe Akkumulatorspannung UAn aufgeladen werden.
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Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird die Vorrichtung 22 gemäß 2 verwendet, wobei mindestens eine Vorrichtung 22 an einen Akkumulator 12 angeschlossen wird, insbesondere wird an jeden Akkumulator 12 eine eigene Vorrichtung 22 angeschlossen.
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Die Vorrichtung weist einen ersten Port 24 auf, der dafür ausgebildet ist, mit dem ersten Pol 14 eines Akkumulators 12 verbunden zu werden. Die Vorrichtung weist zudem einen zweiten Port 26 auf, der dafür ausgebildet ist, mit dem zweiten Pol 16 eines Akkumulators 12 verbunden zu werden. Parallel zum ersten und zweiten Port 24, 26 ist ein Energieübertrager 28 geschaltet, der ein erstes induktives Element 30, ein zweites induktives Element 32 und ein gemeinsames Magnetflusselement 34 aufweist. Es ist zu erkennen, dass beide induktiven Elemente 30, 32 parallel zu den beiden Ports 24, 26 angeordnet sind.
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Die induktiven Elemente 30, 32 sind hier als eine erste Spule und als eine zweite Spule mit gleichsinniger Wicklung ausgebildet. Bei der hier gezeigten Ausführungsform beträgt die erste Wicklungszahl des ersten induktiven Elements 30 N1 = 1 und die zweite Wicklungszahl des zweiten induktiven Elements 32 N2 = 1. Damit beträgt das Übersetzungsverhältnis von erster Spule und zweiter Spule TR = N1/N2 = 1. Im Rahmen einer Kosten/Nutzen-Analyse wurden hier allgemein erhältliche Spulen mit einer Induktivität von ungefähr 300 nH verwendet. Der Energieübertrager 28 wurde hier so ausgewählt, dass er einen effektiven Dauerstrom von 50 A und einen Spitzenstrom von 200 A führen kann.
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Die Vorrichtung 22 weist ferner ein erstes Schaltelement 36 auf, das in Reihe zum ersten induktiven Element 30 angeordnet ist, und ein zweites Schaltelement 38, das in Reihe zum zweiten induktiven Element 32 angeordnet ist. Die Schaltelemente 36, 38 sind hier als MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ausgeführt, die jeweils entsprechend von einer Steuereinrichtung 40 über eine erste Steuerleitung 42 und eine zweite Steuerleitung 44 angesteuert werden.
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Parallel zum zweiten Schaltelement 38 ist ein unidirektionales Stromleitelement 39, hier eine Schottky-Diode, angeordnet. Das unidirektionale Stromleitelement 39 ermöglicht ein Abkommutieren des Energieübertragers 28, auch wenn beide Schaltelemente 36, 38 geöffnet sind.
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Die Steuereinrichtung 40 ist dafür ausgebildet, das erste und das zweite Schaltelement 36, 38 so anzusteuern, dass die Schaltelemente 36, 38 eine Abfolge von Schließ- und Öffnungsvorgängen durchführen, so dass in einem ersten Schaltzustand ein von der Energiequelle 20 zum ersten Port 24 geführter Strom IL zumindest teilweise als Umgehungsstrom IS am Akkumulator 12 vorbei und über den Energieübertrager 28 zum zweiten Port 26 geführt wird. Außerdem wird in einem zweiten Schaltzustand eine Gegenspannung UG erzeugt, die die Akkumulatorspannung UA zumindest kurzzeitig senkt. Die Steuereinrichtung 40 ist bevorzugt als Mikrocontroller ausgeführt.
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Des Weiteren weist die Vorrichtung einen Spannungsmesser 46 auf, der die Akkumulatorspannung UA zwischen dem ersten und dem zweiten Port 24, 26 misst. Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind dem Spannungsmesser 46 ein Hochpassfilter 48 und ein Analog-Digital-Wandler 50 vorgeschaltet.
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Für eine Kontrolle von Betriebsparametern weist die Vorrichtung 22 eine Überwachungsvorrichtung 52 auf. Die Überwachungsvorrichtung 52 besteht hier aus einem ersten Temperatursensor 54 zur Erfassung einer Temperatur TA des Energieübertragers 28 und einem zweiten Temperatursensor 56 zur Erfassung einer Temperatur TB des zugeordneten Akkumulators 12.
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Schließlich weist die Vorrichtung ein Kommunikationselement 58 mit einer Kommunikationsschnittstelle 60 auf, wobei das Kommunikationselement 58 dafür ausgebildet ist, eine Information aus der Vorrichtung 20 über die Kommunikationsschnittstelle 60 an einen Kommunikationsbus 62 zu senden. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, an eine außen stehende Kontrolleinheit zu übermitteln, dass eine Vorrichtung 22 aktiv ist oder dass eine Vorrichtung 22 sich bspw. aufgrund einer zu hohen Temperatur TA des Energieübertragers 28 abgeschaltet hat.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Messwerte des Spannungsmessers 46 über den Kommunikationsbus 62 kommuniziert werden, da die genannte Kontrolleinheit 64 auf diese Weise erkennen kann, wenn sich die Akkumulatorspannungen UAn in einem Zielbereich befinden und der Ladevorgang als beendet betrachtet werden kann. Die Kommunikationsschnittstelle 60 ist bevorzugt als Lin-Transceiver und der Kommunikationsbus 62 bevorzugt als Lin-Bus ausgeführt.
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3 zeigt ein Energiespeichersystem 10', bei dem drei Akkumulatoren 12, 12', 12'' in Reihe geschaltet sind. Das Energiespeichersystem 10' ist mit einer Energiequelle 20 verbunden. An jedem Akkumulator 12, 12', 12'' ist eine entsprechende Vorrichtung 22, 22', 22'' angeschlossen. Der Aufbau der Vorrichtungen 22, 22', 22'' entspricht jeweils dem Aufbau, der in 2 gezeigt ist. Im Sinne einer besseren Übersichtlichkeit sind aber lediglich die Elemente dargestellt, die bei den nachfolgenden Erläuterungen im Vordergrund stehen.
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Außerdem sind in der Figur die erste Akkumulatorspannung UA1, die zweite Akkumulatorspannung UA2 und die dritte Akkumulatorspannung UA3 eingezeichnet. Schließlich sind auch die möglichen Umgehungsströme IS dargestellt: erster Umgehungsstrom IS1 durch die erste Vorrichtung 22, zweiter Umgehungsstrom IS2 durch die zweite Vorrichtung 22' und dritter Umgehungsstrom IS3 durch die dritte Vorrichtung 22''.
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In den folgenden 4 bis 7 werden nun verschiedene Zustände des Energiespeichersystems 10 gemäß 3 dargestellt. Hinsichtlich der Bezugszeichen wird im Zusammenhang mit den 4 bis 7 auf die 3 verwiesen, da die Bezugszeichen in den 4 bis 7 für eine bessere Übersichtlichkeit nur rudimentär dargestellt sind.
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In 4 ist die Situation dargestellt, in der alle Spannungsmesser 46, 46', 46'' der Vorrichtungen 22, 22', 22'' eine Akkumulatorspannung UA1, UA2, UA3 des jeweiligen Akkumulators 12, 12', 12'' ermitteln, die unter einem ersten. Schwellenwert TH1 liegen. Dieser erste Schwellenwert ist bevorzugt zu TH1 = 3,6 V gewählt. Sofern der erste Schwellenwert TH1 nicht überschritten wird, bedeutet dies, dass der entsprechende Akkumulator 12, 12', 12'' geladen werden kann und geladen werden soll.
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Da alle Vorrichtungen 22, 22', 22'' inaktiv sind, sind alle Umgehungsströme IS1, IS2, IS3 gleich null. Der Ladestrom IL fließt daher sequenziell durch alle Akkumulatoren 12, 12', 12''. Alle Akkumulatoren 12, 12', 12'' werden geladen.
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In 5 ist die Situation dargestellt, dass die zweite Vorrichtung 22', genauer der zweite Spannungsmesser 46', ein Überschreiten des ersten Schwellenwerts TH1 ermittelt hat. Das Überschreiten des ersten Schwellenwerts TH1 bedeutet, dass ein weiteres Aufladen des entsprechenden Akkumulators 12' nicht mehr erforderlich ist, ja sogar nicht gewünscht ist. Der Ladestrom IL soll also nicht mehr oder nur in verringertem Maße in den Akkumulator 12' fließen. Stattdessen fließt ein großer Anteil über das erste induktive Element 30', was durch den eingezeichneten Strompfeil verdeutlicht werden soll.
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Um dies zu erzielen, wird das erste Schaltelement 36' der zweiten Vorrichtung 22' geschlossen und damit das erste induktive Element 30' parallel zu den Ports 24' und 26' und damit parallel zum Akkumulator 12' geschaltet. Dies führt unter Berücksichtigung der induktiven Charakteristik des ersten induktiven Elements 30 dazu, dass sich ein ansteigender Strom durch das erste induktive Element 30 einstellt.
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Der zweite Umgehungsstrom IS2 nimmt also zu, so dass der verbleibende Strom, IL minus IS2, der in den zweiten Akkumulator 12' fließt, abnimmt. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung kann IS1 sogar größer als IL werden, wenn nämlich ein zusätzlicher Strom aus dem Akkumulator 12' in den zweiten Energieübertrager 28' fließt. Der Schaltzustand, bei dem das erste Schaltelement 36' geschlossen ist und das zweite Schaltelement 38' geöffnet ist, soll als erster Schaltzustand bezeichnet werden.
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Der Umgehungsstrom IS2 durch den zweiten Energieübertrager 28' bewirkt, dass sich ein magnetischer Fluss in dem gemeinsamen Magnetflusselement 34' aufbaut. Die Umgehungsströme IS1, IS3 betragen weiterhin in etwa Null, da die erste und dritte Vorrichtung 22, 22'' weiterhin inaktiv sind.
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6 zeigt die Vorrichtung 22 nun in einem zweiten Schaltzustand, bei dem das erste Schaltelement 36' geöffnet und das zweite Schaltelement 38' geschlossen ist. Aufgrund des magnetischen Flusses, der in dem gemeinsamen Magnetflusselement 34' gespeichert ist, wird im zweiten induktiven Element 32' nun eine Gegenspannung UG erzeugt, die zur zweiten Akkumulatorspannung UA2 entgegengesetzt ist. Dies reduziert die am Akkumulator 12' effektiv wirksame Spannung.
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Da der Akkumulator 12' nun nach außen hin eine reduzierte Akkumulatorspannung zeigt, UA2 minus UG, erhält der Akkumulator 12' weniger Ladungsenergie als die anderen Akkumulatoren 12, 12'', deren Vorrichtungen 22, 22'' nicht aktiv sind. Ein Anteil des Ladestroms IL fließt über das zweite induktive Element 32', was durch den eingezeichneten Strompfeil verdeutlicht werden soll.
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7 zeigt die Situation, bei der der zweite Energieübertrager 28' nach einem Öffnen des zweiten Schaltelements 38' wieder im Grundzustand ist. Ein im zweiten gemeinsamen Magnetflusselement 34' verbliebener magnetischer Fluss kann nun über das zweite unidirektionale Stromleitelement 39' abkommutiert werden.
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Sofern der Ladezustand des zweiten Akkumulators 12' weiterhin so hoch ist, dass ein Laden des zweiten Akkumulators 12' auch weiterhin nicht erwünscht ist, können die Schritte gemäß den 5 bis 7 dauerhaft wiederholt werden. Um ein schnelles Hin- und Herschalten zwischen einer Aktivität bzw. einer Nichtaktivität einer Vorrichtung 22 entgegenzuwirken, ist es bevorzugt, einen zweiten Schwellenwert TH2, der unterhalb des ersten Schwellenwerts TH1 liegt, zu definieren, bei dessen Unterschreitung eine Vorrichtung 22 erst wieder deaktiviert wird.
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8 zeigt im Detail ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Steuern eines Ladestroms in einen Akkumulator. Dabei werden in einem ersten Schritt S10 zunächst ein Akkumulator 12, der einen ersten Pol 14 und einen zweiten Pol 16 aufweist, und eine elektrische Energiequelle 20, die derart mit dem Akkumulator 12 verbunden ist, dass ein Strom IL aus der Energiequelle 20 zum ersten Pol 14 des Akkumulators 12 geführt werden kann und ein Energieübertrager 28 zwischen dem ersten Pol 14 und dem zweiten Pol 16 bereitgestellt, wobei der Energieübertrager 28 ein erstes induktives Element 30, ein zweites induktives Element 32 und ein gemeinsames Magnetflusselement 34 aufweist.
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Während des Betriebs wird eine Akkumulatorspannung UA des Akkumulators 12 zwischen dem ersten Pol 14 und dem zweiten Pol 16 gemessen (Schritt S12) und mit einem ersten Schwellenwert TH1 verglichen (Schritt S14). Wird der erste Schwellenwert TH1 nicht überschritten, so wird das Verfahren über den Abzweig N mit dem Schritt S12 fortgesetzt. Wenn der erste Schwellenwert TH1 überschritten wird, verzweigt das Verfahren über den Abzweig J.
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Die Schleife von Schritt S12, Schritt S14 und zurück über den Abzweig N kann besondern energiesparend realisiert werden. Dazu ist es ausreichend, dass sich die Vorrichtung 22 in einem Schlafzustand befindet und lediglich über ein ganz einfaches Bauelement, ggf. sogar passives Bauelement, die Akkumulatorspannung UA überwacht. Erst, wenn der erste Schwellenwert TH1 überschritten wird, wird die Vorrichtung 22 aktiv geschaltet.
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Es wird dann ein erstes induktives Element 30 zwischen den ersten und den zweiten Pol 14, 16 zugeschaltet (Schritt S16), so dass zumindest ein Teil des zum ersten Pol 14 geleiteten Stroms IL als Umgehungsstrom IS über das erste induktive Element 30 geführt wird und dort ein Magnetfeld aufbaut.
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In den Schritten S18 und S20 wird das erste induktive Element weggeschaltet und das zweite induktive Element 32 zugeschaltet. Wenngleich bei diesem Ausführungsbeispiel zuerst das erste induktive Element 30 weggeschaltet und dann das zweite induktive Element 32 zugeschaltet wird, sei darauf hingewiesen, dass es je nach Ausgestaltung der Vorrichtung 22 auch bevorzugt sein kann, zunächst das zweite induktive Element 32 zuzuschalten und danach das erste induktive Element 30 wegzuschalten.
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Das Zuschalten des zweiten induktiven Elements 32 zwischen den ersten und den zweiten Pol 14, 16 bewirkt, dass sich das erzeugte Magnetfeld abbaut und dabei eine Gegenspannung UG erzeugt, die die Akkumulatorspannung UA zumindest kurzzeitig senkt. Danach wird das zweite induktive Element weggeschaltet (Schritt S22).
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Nach einem optionalen Abkommutieren (Schritt S24) wird die Akkumulatorspannung UA im Schritt S26 erneut gemessen. Wird ein zweiter Schwellenwert TH2, mit TH2 < TH1, nicht unterschritten, bleibt die Vorrichtung 22 aktiv und das Verfahren wird mit dem Schritt S16 über den Abzweig N fortgesetzt. Anderenfalls, wenn der zweite Schwellenwert TH2 unterschritten wird, verzweigt das Verfahren über den Abzweig J zum Schritt S12. Hier kann die Vorrichtung 22 dann auch wieder in den zuvor erwähnten Schlafzustand versetzt werden.
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Damit wurde insgesamt ein neuartiges Konzept aufgezeigt, welches es ermöglicht, auch in komplexen Topologien von Anordnungen von Akkumulatoren, insbesondere von Reihenschaltungen einer Vielzahl von Akkumulatoren, die Ladung einzelner Akkumulatoren zu steuern, ohne dass eine übergeordnete Steuerung erforderlich ist. Dadurch wird es nun möglich, auch Topologien bzw. Netzwerke mit mehr als 100 Akkumulatoren unter Berücksichtigung der verschiedenen Ladecharakteristiken der einzelnen Akkumulatoren zu laden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0141843 A1 [0012]
- US 2008/0272735 A1 [0012]
- US 2009/0195079 A1 [0014]
