DE102010031846A1 - Circuit arrangement for exchanging electric charge between secondary cells in e.g. electric vehicle, has secondary cells associated with modules of rechargeable battery, and series circuits connected with secondary cells - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Sekundärzellen eines Akkumulators, mit in Reihe geschalteten Sekundärzellen.The invention relates to a circuit arrangement and a method for exchanging electrical charge between secondary cells of a secondary battery, with secondary cells connected in series.
Aus der Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer
Gemäß dem in der Offenlegungsschrift
In der Offenlegungsschrift
Durch die in der Offenlegungsschrift
Ein technisches Problem ergibt sich bei der praktischen Umsetzung des Verfahrens aufgrund der in Elektrofahrzeugen oder in Hybridfahrzeugen benötigten hohen Spannung und der sich daraus ergebenden Notwendigkeit der in Reihenschaltung von vielen zum Teil über 100 Sekundärzellen. Der Ladungsaustausch erfolgt über die induktive Kopplung der ersten induktiven Speicherelemente mit dem zweiten induktiven Speicherelement. Technisch realisiert wird diese Kopplung durch einen Transformator mit einer der Anzahl der Sekundärzellen entsprechenden Anzahl von Primärwicklungen und einer Sekundärwicklung. Bei einer Anzahl von bis zu oder sogar über 100 Sekundärzellen wird dann ein Transformator notwendig, der sehr voluminös und schwer ist. Zum Teil werden auch die Grenzen des technisch Machbaren erreicht.A technical problem arises in the practical implementation of the method due to the high voltage required in electric vehicles or in hybrid vehicles and the consequent need for connecting many in many, more than 100 secondary cells in series. The charge exchange takes place via the inductive coupling of the first inductive storage elements to the second inductive storage element. Technically, this coupling is realized by a transformer with a number corresponding to the number of secondary cells primary windings and a secondary winding. With a number of up to or even over 100 secondary cells, a transformer becomes very bulky and heavy. In part, the limits of the technically feasible are reached.
Hier setzt die Erfindung an.This is where the invention starts.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde die Schaltungsanordnung und das Verfahren gemäß der Offenlegungsschrift
Im Hinblick auf die Schaltungsanordnung wird das Problem zunächst dadurch gelöst,
- – dass die Schaltungsanordnung die zweite Reihenschaltung mehrfach aufweist und jede zweite Reihenschaltung ein Anschlusspaar zum Verbinden mit einem Modul des Akkumulators umfassend einige der in Reihe geschalteten Sekundarzellen des Akkumulators aufweist,
- – dass die ersten Reihenschaltungen, deren Anschlusspaare zum Verbinden mit den Sekundärzellen eines der Module geeignet und eingerichtet sind, einer Gruppe von ersten Reihenschaltungen zugeordnet sind und
- – dass die ersten induktiven Speicherelemente jeder der ersten Gruppen von ersten Reihenschaltungen induktiv mit dem zweiten induktiven Speicherelement derjenigen zweiten Reihenschaltung gekoppelt sind, die zum Verbinden mit demjenigen Modul geeignet und eingerichtet ist, dem die Sekundärzellen zugehörig sind, mit denen die ersten Reihenschaltungen der vorgenannten Gruppe verbunden sind.
- That the circuit arrangement has the second series connection in multiple and each second series circuit has a connection pair for connection to a module of the accumulator comprising some of the series-connected secondary cells of the accumulator,
- - That the first series circuits whose terminal pairs are suitable for connection to the secondary cells of one of the modules and arranged, are assigned to a group of first series circuits, and
- - That the first inductive storage elements of each of the first groups of first series circuits are inductively coupled to the second inductive storage element of that second series circuit suitable and adapted for connection to the module to which the secondary cells are associated, with which the first series circuits of the aforementioned group are connected.
Erfindungsgemäß findet der Ladungsaustausch nicht zwischen den Sekundärzellen des ganzen Akkumulators statt. Vielmehr wird der Akkumulator in Module aus in Reihe geschalteten Sekundärzellen eingeteilt. Die Module selbst sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Der Ladungsaustausch findet dann zwischen den Sekundärzellen eines Moduls statt. Der dazu notwendige Transformator mit den ersten induktiven Speicherelementen und dem zweiten induktiven Speicherelement kann eine deutlich kleinere Bauform aufweisen als es bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung der Fall gewesen wäre.According to the invention, the charge exchange does not take place between the secondary cells of the whole accumulator. Rather, the accumulator is divided into modules of series-connected secondary cells. The modules themselves are also connected in series. The charge exchange then takes place between the secondary cells of a module. The transformer required for this purpose with the first inductive storage elements and the second inductive storage element can have a significantly smaller design than would have been the case with a circuit arrangement known from the prior art.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich ein Akkumulator, der an die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung angeschlossen werden kann, um einen Ladungsaustausch zwischen den Sekundärzellen des Akkumulators zu bewirken, sich nicht von einem herkömmlichen Akkumulator unterscheiden muss. Die Unterteilung des Akkumulators in Module aus Sekundärzellen kann allein durch die erfindungsgemäße Schaltung erfolgen. Veränderungen an dem Akkumulator sind damit nicht notwendigerweise verbunden.It should be noted that an accumulator which can be connected to the circuit arrangement according to the invention in order to effect a charge exchange between the secondary cells of the accumulator need not differ from a conventional accumulator. The subdivision of the accumulator into modules from secondary cells can be effected solely by the circuit according to the invention. Changes to the accumulator are not necessarily associated with this.
Der Erfindung liegt die (statistische) Erkenntnis zu Grunde, dass es bei einem Akkumulator mit einer großen Anzahl von Sekundärzellen (beispielsweise 100 Zellen) und einer deutlich kleineren Anzahl von Sekundärzellen pro Modul (von beispielsweise 10 Zellen) unwahrscheinlich ist, dass alle tiefentladenen oder alle hoch aufgeladenen Sekundärzellen einem Modul zugeordnet sind. Vielmehr geht man davon aus, dass der Mittelwert der Spannungen der Sekundärzellen aller Module annähernd gleich ist und somit ein Ladungsaustausch innerhalb eines Moduls ausreichend ist.The invention is based on the (statistical) finding that, in the case of an accumulator with a large number of secondary cells (for example 100 cells) and a significantly smaller number of secondary cells per module (for example 10 cells), it is unlikely that all of the deeply discharged or all highly charged secondary cells are assigned to a module. Rather, it is assumed that the mean value of the voltages of the secondary cells of all modules is approximately equal and thus a charge exchange within a module is sufficient.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem kann erfindungsgemäß aber auch dadurch gelöst werden, dass bei einer Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen in, Reihe geschalteten Modulen eines Akkumulators, der aus in Reihe geschalteten Sekundärzellen zusammengesetzt ist, die Schaltungsanordnung
- – mehrere zweite Reihenschaltungen jeweils aus einem zweiten steuerbaren Schaltelement und einem zweiten induktiven Speicherelement und jeweils mit einem Anschlusspaar zum Verbinden mit einem Modul des Akkumulators aufweist und
- – eine dritte Reihenschaltung aus einem dritten steuerbaren Schaltelement und einem dritten induktiven Speicherelement und mit einem Anschlusspaar zum Verbinden mit dem Akkumulator aufweist.
- - Has a plurality of second series circuits each of a second controllable switching element and a second inductive storage element and each with a pair of terminals for connecting to a module of the accumulator and
- - Has a third series circuit of a third controllable switching element and a third inductive storage element and with a pair of terminals for connection to the accumulator.
Gemäß der Erfindung können die zweiten induktiven Speicherelemente mit dem dritten induktiven Speicherelement induktiv gekoppelt sein.According to the invention, the second inductive storage elements may be inductively coupled to the third inductive storage element.
Bei dieser Lösung findet der Ladungsaustausch nicht notwendigerweise innerhalb der Module des Akkumulators statt. Die Ladungen werden vielmehr zwischen den Modulen ausgetauscht. In Folge eines Ladungsaustausches zwischen den Modulen kommt es auch zu einem Aufladen oder Entladen der einzelnen Sekundärzellen, das nicht immer aber häufig den gewünschten Effekt haben kann.In this solution, the charge exchange does not necessarily take place within the modules of the accumulator. The charges are rather exchanged between the modules. As a result of a charge exchange between the modules, it also comes to a charging or discharging of the individual secondary cells, which may not always but often have the desired effect.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn man beide Lösungen kombiniert und dann einen Ladungsaustausch innerhalb eines Moduls und zwischen den Modulen stattfinden kann.It is particularly advantageous if you can combine both solutions and then take place a charge exchange within a module and between the modules.
Die induktiven Speicherelemente können als Leiterwindungen auf einem Schaltungsträger angeordnet sein. Es ist damit möglich, so genannte Leiterplattentransformatoren für die induktive Kopplung zu nutzen, die kostengünstig herstellbar sind. Die in duktive Kopplung der induktiven Speicherelemente kann durch Ferritkerne erfolgen, die zum Beispiel den Wicklungen des Leiterplattentransformators übergestülpt sind.The inductive storage elements can be arranged as conductor windings on a circuit carrier. It is thus possible to use so-called printed circuit board transformers for inductive coupling, which are inexpensive to produce. The in ductive coupling of the inductive storage elements can be done by ferrite cores, for example, are slipped over the windings of the PCB transformer.
Die Schaltungsanordnung kann eine Steuerungs- und Überwachungseinheit aufweisen, welche zum Überwachen der Spannungen der Sekundärzellen und zum Ansteuern der steuerbaren Schaltelemente geeignet und eingerichtet ist.The circuit arrangement may have a control and monitoring unit, which is suitable and arranged for monitoring the voltages of the secondary cells and for driving the controllable switching elements.
Im Hinblick auf das Verfahren wird das der Erfindung zu Grunde liegende Problem dadurch gelöst, dass die Sekundärzellen in Reihe geschaltet in einem Modul des Akkumulators angeordnet sind und die Module in Reihe geschaltet sind, wobei zum Austausch der Ladung zwischen den Sekundärzellen des Moduls ein erstes induktives Speicherelement, das in einer ersten Reihenschaltung parallel zu einer der Sekundärzellen des Moduls angeordnet ist, und ein zweites induktives Speicherelement, das in einer zweiten Reihenschaltung parallel zu dem Modul angeordnet ist, auf- oder entladen werden.With regard to the method, the problem underlying the invention is solved in that the secondary cells are arranged in series in a module of the accumulator and the modules are connected in series, wherein for exchanging the charge between the secondary cells of the module, a first inductive Storage element, which is arranged in a first series circuit parallel to one of the secondary cells of the module, and a second inductive storage element, which is arranged in a second series connection parallel to the module, to be charged or discharged.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird ein Ladungsaustausch innerhalb eines Moduls eines Akkumulators ermöglicht.This method according to the invention enables a charge exchange within a module of a rechargeable battery.
Das Problem kann ferner dadurch gelöst werden, durch ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen in Reihe geschalteten Modulen eines Akkumulators, der aus in Reihe geschalteten Sekundärzellen zusammengesetzt ist, wobei bei dem Verfahren zum Austausch der Ladung zwischen den Modulen ein zweites induktives Speicherelement, das in einer ersten Reihenschaltung parallel zu einer der Sekundärzellen des Moduls angeordnet ist, und ein zweites induktives Speicherelement, das in einer zweiten Reihenschaltung parallel zu dem Modul angeordnet ist, auf- oder entladen werden.The problem may be further solved by a method of exchanging electrical charge between series-connected modules of a battery composed of series-connected secondary cells, wherein in the method of exchanging the charge between the modules, a second inductive storage element incorporated in a first series circuit is arranged parallel to one of the secondary cells of the module, and a second inductive storage element, which is arranged in a second series connection parallel to the module, to be charged or discharged.
Auch ein Ladungsaustausch zwischen den Modulen eines Akkumulators kann das Problem lösen. Besonders vorteilhaft ist es allerdings wenn das Verfahren zum Ladungsaustausch innerhalb eines Moduls und das Verfahren zum Ladungsaustausch zwischen den Modulen in einem Verfahren kombiniert werden. So kann es besonders vorteilhaft sein, wenn zunächst ein Ladungsaustausch zwischen den Modulen stattfindet, um die Ladung gleichmäßig auf die Module zu verteilen. Anschließend kann dann die Ladung innerhalb der Module verteilt werden, wodurch dann insgesamt eine gleichmäßige Ladung der Sekundärzellen des Akkumulators erreicht wird.Also a charge exchange between the modules of a rechargeable battery can solve the problem. However, it is particularly advantageous if the method for exchanging charges within a module and the method for exchanging charges between the modules are combined in one method. Thus, it may be particularly advantageous if initially a charge exchange between the modules takes place in order to distribute the charge evenly on the modules. Subsequently, the charge can then be distributed within the modules, which then overall a uniform charge of the secondary cells of the battery is achieved.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:Reference to the accompanying drawings, the invention is explained in more detail below. It shows:
Die in der
Zwischen Anzapfungen der Sekundärzellen
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst erste Reihenschaltungen, jeweils aus einem ersten gesteuerten Schaltelement
Die Spannung jeder Sekundärzelle
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst außerdem vier zweite Reihenschaltungen, jeweils aus einem zweiten gesteuerten Schaltelement
Steueranschlüsse der zweiten gesteuerten Schaltelemente
Schließlich weist die dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine dritte Reihenschaltung auf, die ein drittes gesteuertes Schaltelement
Es gibt verschiedene Verfahren, mit denen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung betrieben werden kann. Ein Verfahren wird nachstehend beispielhaft beschrieben.There are various methods with which the circuit arrangement according to the invention can be operated. A method will be described below by way of example.
Sofern der Ladezustand keiner Sekundärzelle
Alternativ könnte man auch die Ladung aus allen Modulen
Ist die Ladung zwischen den Modulen
Soll dagegen die Ladung gezielt auf eine Sekundärzelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 111 bis 143111 to 143
- erste Schaltelementefirst switching elements
- 151 bis 183151 to 183
- erste induktive Speicherelementefirst inductive storage elements
- 21 bis 2421 to 24
- zweite Schaltelementesecond switching elements
- 25 bis 2825 to 28
- zweite induktive Speicherelementesecond inductive storage elements
- 3131
- drittes Schaltelementthird switching element
- 3232
- drittes induktives Speicherelementthird inductive storage element
- 4141
- Ferritkerne zwischen den ersten Speicherelementen und den zweiten SpeicherelementenFerrite cores between the first memory elements and the second memory elements
- 4242
- Ferritkern zwischen den zweiten Speicherelementen und dem dritten SpeicherelementFerrite core between the second memory elements and the third memory element
- 9 9
- Akkumulatoraccumulator
- 91 bis 9491 to 94
- Module des AkkumulatorsModules of the accumulator
- 911 bis 943911 to 943
- Sekundärzellen des AkkumulatorsSecondary cells of the accumulator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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