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

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 Download PDF

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Erich Pattloch
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Abstract

The arrangement has series circuits comprising connection pairs connected with secondary cells (911-948) of modules (91-94) of a rechargeable battery (9), where the connection pairs are assigned to a group of series circuits. A set of inductive storage elements (151-183) of the group of the series circuits is inductively coupled with another set of inductive storage elements (25-28) of another group of series circuits. The latter set of circuits is connected with the modules, and the secondary cells are associated with the modules. The former set of circuits is connected with the cells. An independent claim is also included for a method for exchanging electric charge between secondary cells.

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 DE 10 2008 021 090 A1 ist eine derartige Schaltungsanordnung und ein derartiges Verfahren bekannt. Bei der bekannten Schaltungsanordnung sind erste Reihenschaltungen vorgesehen, die jeweils ein erstes steuerbares Schaltelement und ein erstes induktives Speicherelement und jeweils ein Anschlusspaar zum Verbinden mit einer der Sekundärzellen des Akkumulators aufweisen. Bei an der Schaltungsanordnung angeschlossenem Akkumulator ist jede erste Reihenschaltung parallel zu einer Sekundärzelle des Akkumulator geschaltet. Die Schaltungsanordnung weist eine zweite Reihenschaltung mit einem zweiten steuerbaren Schaltelement und einem zweiten induktiven Speicherelement auf. Diese zweite Reihenschaltung weist ein Anschlusspaar zur Verbindung mit den Polen des Akkumulators auf. Im mit dem Akkumulator verbundenen Zustand sind der Akkumulator und die zweite Reihenschaltung parallel geschaltet. Die ersten induktiven Speicherelemente sind induktiv mit dem zweiten induktiven Speicherelement gekoppelt, so dass elektrische Energie von einem, mehreren oder allen ersten Speicherelementen auf das zweite Speicherelement übertragen werden kann und umgekehrt elektrische Energie vom zweiten induktiven Speicherelement auf ein, mehrere oder alle ersten induktiven Speicherelemente übertragen werden kann.From the publication with the publication number DE 10 2008 021 090 A1 Such a circuit arrangement and such a method is known. In the known circuit arrangement, first series circuits are provided which each have a first controllable switching element and a first inductive storage element and in each case a connection pair for connection to one of the secondary cells of the accumulator. When connected to the circuit accumulator each first series circuit is connected in parallel to a secondary cell of the accumulator. The circuit arrangement has a second series circuit with a second controllable switching element and a second inductive storage element. This second series circuit has a connection pair for connection to the poles of the accumulator. In the state connected to the accumulator, the accumulator and the second series circuit are connected in parallel. The first inductive storage elements are inductively coupled to the second inductive storage element so that electrical energy from one, several or all first storage elements can be transferred to the second storage element and vice versa transmit electrical energy from the second inductive storage element to one, several or all first inductive storage elements can be.

Gemäß dem in der Offenlegungsschrift DE 10 2008 021 090 A1 offenbarten Verfahren, kann durch Schalten der ersten bzw. des zweiten Schaltelements die Richtung des Energieflusses und – damit verbunden – des Ladungstransports festgelegt werden. Die induktive Kopplung der ersten Speicherelemente mit dem zweiten Speicherelement bildet einen Transformator. Ein Transformator kann allerdings keinen Gleichstrom übertragen sondern nur Wechselstrom. Also dürfen die Schaltelemente, die zu dem induktiven Speicherelement in Reihe liegen, dass die Energie übertragen soll, nicht permanent geschlossen sein. Vielmehr muss der Gleichstrom durch wiederholtes Schalten „zerhackt” und so in einen Wechselstrom umgewandelt werden. Nach der Transformierung muss dann der Wechselstrom wieder in einen Gleichstrom gewandelt werden, was durch ein entsprechendes Schalten des Schaltelements möglich ist, dass in Reihe zu dem Speicherelement liegt, auf das die Energie übertragen worden ist. Akkumulatoren werden jetzt und noch mehr in der Zukunft in Kraftfahrzeugen mit Elektro- oder Hybrid antrieben eingesetzt werden. Zum Betreiben der Elektromotoren werden Akkumulatoren als wieder aufladbare Energiespeicher benötigt. Die Akkumulatoren müssen dabei in der Lage sein hohe Ströme bei hohen Spannungen zu liefern, damit eine ausreichende Leistung bereitgestellt werden kann. Die verwendeten Akkumulatoren haben daher eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Sekundärzellen. Oftmals sind mehrere Stränge von in Reihe geschalteten Sekundärzellen parallel geschaltet, um die nötigen Ströme liefern zu können.According to the published in the publication DE 10 2008 021 090 A1 disclosed method, can be determined by switching the first and the second switching element, the direction of the energy flow and - associated - the charge transport. The inductive coupling of the first memory elements with the second memory element forms a transformer. However, a transformer can not transmit direct current but only alternating current. Thus, the switching elements that are in series with the inductive storage element that is to transmit the energy must not be permanently closed. Rather, the direct current must be "chopped" by repeated switching and thus converted into an alternating current. After the transformation then the alternating current must be converted back into a direct current, which is possible by a corresponding switching of the switching element that is in series with the storage element to which the energy has been transferred. Accumulators will be used now and even more in the future in vehicles with electric or hybrid drives. To operate the electric motors accumulators are needed as rechargeable energy storage. The accumulators must be able to deliver high currents at high voltages in order to provide sufficient power. The accumulators used therefore have a plurality of secondary cells connected in series. Often several strings of series connected secondary cells are connected in parallel to provide the necessary currents.

In der Offenlegungsschrift DE 10 2008 021 090 A1 ist ausgeführt, dass herstellungsbedingt oder bedingt durch unterschiedlichen Verschleiß während des Betriebs die einzelnen Sekundärzellen unterschiedliche Kapazitäten haben können. Das führt dazu, dass einzelne Sekundärzellen während des Ladevorgangs bereits früher vollständig aufgeladen sind als andere. Der Ladevorgang sollte dann beendet werden, sobald eine der Sekundärzellen ihren maximalen Ladezustand erreicht hat, da es ansonsten zur Beschädigung oder Zerstörung der aufgeladenen Sekundärzelle kommen kann. Umgekehrt kann während eines Entladevorgangs eine Sekundärzelle früher als die anderen bis unterhalb ihres Arbeitsbereichs entladen werden. Der Entladevorgang sollte dabei beendet werden, sobald einer der Akkumulatoren bis unterhalb seines Arbeitsbereichs entladen ist, um Schaden von der Sekundärzelle abzuwenden.In the published patent application DE 10 2008 021 090 A1 is stated that due to production or due to different wear during operation, the individual secondary cells can have different capacities. As a result, individual secondary cells are fully charged earlier than others during the charging process. The charging process should then be terminated as soon as one of the secondary cells has reached its maximum state of charge, as otherwise damage or destruction of the charged secondary cell may occur. Conversely, during a discharge, a secondary cell may be discharged earlier than the others to below its operating range. The discharge process should be terminated as soon as one of the accumulators is discharged to below its working range in order to avert damage from the secondary cell.

Durch die in der Offenlegungsschrift DE 10 2008 021 090 A1 beschriebene Vorrichtung und das dort beschriebene Verfahren kann man nun einen Austausch elektrischer Ladung zwischen Sekundärzellen eines Akkumulators erreichen. Mit der Vorrichtung bzw. mit dem Verfahren kann nun dafür gesorgt werden, dass im Falle einer vollständigen Aufladung einer Sekundärzelle beim Aufladen des Akkumulators Ladung von der vollständig geladenen Sekundärzelle auf die noch nicht vollständig geladenen Zellen verteilt wird. Ferner kann im Falle einer unter den Arbeitsbereich entladenen Sekundärzelle eine Ladung von noch nicht vollständig entladenen Sekundärzellen auf die entladene Sekundärzelle übertragen werden. In beiden Fällen findet ein Ladungsaustausch statt, der zu einer insgesamt größeren Aufladung bzw. Entladung und somit Nutzung des Akkumulators führt.By in the published patent application DE 10 2008 021 090 A1 described device and the method described there can now achieve an exchange of electrical charge between secondary cells of a battery. With the device or with the method can now be ensured that in case of complete charging of a secondary cell when charging the battery charge is distributed from the fully charged secondary cell to the not yet fully charged cells. Furthermore, in the case of a secondary cell discharged under the working area, a charge of not yet completely discharged secondary cells can be transferred to the discharged secondary cell. In both cases, a charge exchange takes place, which leads to an overall larger charge or discharge and thus use of the accumulator.

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 DE 10 2008 021 090 A1 zu verbessern, so dass es auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, wobei die Anwendung der Erfindung aber nicht auf den Kraftfahrzeugbereich beschränkt bleibt.The invention is based on the technical problem of the circuit arrangement and the method according to the published patent application DE 10 2008 021 090 A1 so that it can be used in motor vehicles, but the application of the invention is not limited to the automotive sector.

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.
With regard to the circuit arrangement, the problem is first solved by
  • 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.
However, the problem underlying the invention can also be achieved according to the invention in that in a circuit arrangement for exchanging electrical charge between, connected in series modules of a battery, which is composed of series-connected secondary cells, the circuit arrangement
  • - 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:

1 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Akkumulator in vereinfachter Darstellung. 1 a circuit diagram of a preferred embodiment of a circuit arrangement according to the invention with a battery in a simplified representation.

Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist an den Akkumulator 9 angeschlossen. Der Akkumulator 9 weist beispielhaft zwölf in Reihe geschaltete Sekundärzellen 911 bis 943 auf, wobei jeweils drei einem Modul 91 bis 94 zugeordnet sind. So sind dem Modul 91 die Sekundärzellen 911, 912, 913 zugeordnet. Das Modul 92 umfasst die Sekundärzellen 921, 922, 923. Die Sekundärzellen 931, 932, 933 sind dem Modul 93 und die Sekundärzellen 941, 942, 943 sind dem Modul 94 zugeordnet.The in the 1 illustrated circuit arrangement according to the invention is to the accumulator 9 connected. The accumulator 9 exemplifies twelve series connected secondary cells 911 to 943 on, each three a module 91 to 94 assigned. So are the module 91 the secondary cells 911 . 912 . 913 assigned. The module 92 includes the secondary cells 921 . 922 . 923 , The secondary cells 931 . 932 . 933 are the module 93 and the secondary cells 941 . 942 . 943 are the module 94 assigned.

Zwischen Anzapfungen der Sekundärzellen 911 bis 943 sind Anschlüsse vorgesehen. Über diese und über einen negativen und einen positiven Pol 95, 96 ist der Akkumulator 9 mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verbunden.Between taps of the secondary cells 911 to 943 connections are provided. About this and about a negative and a positive pole 95 . 96 is the accumulator 9 connected to the circuit arrangement according to the invention.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst erste Reihenschaltungen, jeweils aus einem ersten gesteuerten Schaltelement 111 bis 143 und einem ersten induktiven Speicherelement 151 bis 183. Diese Reihenschaltungen haben jeweils ein Anschlusspaar, das mit den Anzapfungen einer Sekundärzelle 911 bis 943 verbunden ist, um die Reihenschaltung parallel zu der Sekundärzelle 911 bis 943 zu schalten. Steueranschlüsse der ersten gesteuerten Schaltelemente 111 bis 143 sind über nicht dargestellte Leitungen mit einer ebenfalls nicht dargestellten Steuerungs- und Überwachungseinheit verbunden.The circuit arrangement according to the invention comprises first series circuits, each of a first controlled switching element 111 to 143 and a first inductive storage element 151 to 183 , These series circuits each have a pair of terminals with the taps of a secondary cell 911 to 943 connected to the series connection in parallel with the secondary cell 911 to 943 to switch. Control terminals of the first controlled switching elements 111 to 143 are connected via lines not shown with a control and monitoring unit, also not shown.

Die Spannung jeder Sekundärzelle 911 bis 943 und die Spannung jedes Moduls 91 bis 94 werden ebenfalls der Steuerungs- und Überwachungseinheit zugeführt, wo sie zum Zwecke der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden können. Die Steuerungs- und Überwachungseinheit kann zum Beispiel auf eine in der DE 10 2008 021 090 A1 dargestellte Art und Weise ausgeführt sein.The voltage of each secondary cell 911 to 943 and the voltage of each module 91 to 94 are also fed to the control and monitoring unit, where they can be monitored for the purpose of carrying out the method according to the invention. The control and monitoring unit may, for example, in one in the DE 10 2008 021 090 A1 be executed manner shown.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst außerdem vier zweite Reihenschaltungen, jeweils aus einem zweiten gesteuerten Schaltelement 21 bis 24 und einem zweiten induktiven Speicherelement 25 bis 28. Diese zweiten Reihenschaltungen haben jeweils ein Anschlusspaar, das mit Anzapfungen der Module 91 bis 94 verbunden ist, um jede zweite Reihenschaltung parallel zu einem Modul 91 bis 94 zu schalten.The circuit arrangement according to the invention also comprises four second series circuits, each of a second controlled switching element 21 to 24 and a second inductive storage element 25 to 28 , These second series circuits each have a pair of terminals, with taps of the modules 91 to 94 connected to every second series connection in parallel with a module 91 to 94 to switch.

Steueranschlüsse der zweiten gesteuerten Schaltelemente 21 bis 24 sind ebenfalls über nicht dargestellte Leitungen mit der ebenfalls nicht dargestellten Steuerungs- und Überwachungseinheit verbunden.Control terminals of the second controlled switching elements 21 to 24 are also connected via lines not shown with the control and monitoring unit, also not shown.

Schließlich weist die dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine dritte Reihenschaltung auf, die ein drittes gesteuertes Schaltelement 31 und ein drittes induktives Koppelelement 32 aufweist. Diese dritte Reihenschaltung hat ein Anschlusspaar, das mit den Polen 95, 96 des Akkumulators 9 verbunden ist. Der Akkumulator 9 und die dritte Reihenschaltung sind parallel geschaltet. Finally, the illustrated circuit arrangement according to the invention has a third series circuit, which comprises a third controlled switching element 31 and a third inductive coupling element 32 having. This third series connection has a connection pair with the poles 95 . 96 of the accumulator 9 connected is. The accumulator 9 and the third series circuit are connected in parallel.

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 911 bis 943 an der oberen Grenze oder an der unteren Grenze des Arbeitsbereiches ist, also weder eine Überladung noch eine Tiefentladung einer Sekundärzelle 911 bis 943 droht, kann es sinnvoll sein, zunächst einen Ladungsaustausch zwischen den Modulen 91 bis 94 herbeizuführen, um die Ladung der Module 91 bis 94 auf ein gleiches Niveau zu bringen. Dazu könnte man beispielsweise das Modul mit der höchsten Ladung teilweise entladen und die Ladung auf alle Module 91 bis 94 verteilen. Wäre beispielsweise das Modul 91 das mit der höchsten Ladung, könnte man das gesteuerte Schaltelement 21 wiederholt schließen, um das zweite induktive Speicherelement 25 durch Entladen des Moduls 91 mit einem durch das wiederholte Schalten erzeugten Wechselstrom aufzuladen. Durch die induktive Kopplung des zweiten induktiven Speicherelements 25 und des dritten induktiven Speicherelements 32 wird eine über dem dritten induktiven Speicherelement 32 abfallende Spannung induziert, die zum Aufladen des gesamten Akkumulators 9 führt. Dazu muss aber die Wechselspannung am dritten induktiven Speicherelement 32 in einen Gleichstrom gewandelt werden, was durch ein geschicktes Ansteuern des dritten gesteuerten Schaltelements 31 erfolgt. Durch das Aufladen des gesamten Akkumulators 9 wird die aus dem Modul 91 entnommene Ladung auf alle Module 91 bis 94 verteilt.If the state of charge no secondary cell 911 to 943 at the upper limit or at the lower limit of the working range, so neither an overcharge nor a deep discharge of a secondary cell 911 to 943 threatens, it may be useful initially, a charge exchange between the modules 91 to 94 bring about the charge of the modules 91 to 94 to bring it to the same level. For example, one could partially discharge the module with the highest charge and the charge on all modules 91 to 94 to distribute. For example, would be the module 91 the one with the highest charge, could be the controlled switching element 21 repeatedly close to the second inductive storage element 25 by unloading the module 91 with an alternating current generated by the repeated switching. By the inductive coupling of the second inductive storage element 25 and the third inductive storage element 32 becomes one over the third inductive storage element 32 declining voltage induces to charge the entire accumulator 9 leads. But this must be the AC voltage on the third inductive storage element 32 be converted into a direct current, which by a clever driving the third controlled switching element 31 he follows. By charging the entire battery 9 will be the one from the module 91 removed charge on all modules 91 to 94 distributed.

Alternativ könnte man auch die Ladung aus allen Modulen 91 bis 94 entnehmen und diese gezielt auf eines der Module 91 bis 94 übertragen. In diesem Falle schlösse man zunächst wiederholt das dritte gesteuerte Schaltelement 31, so dass die über den gesamten Akkumulator 9 abfallende Spannung das dritte induktive Koppelelement 32 auflädt. Außerdem wird das zweite gesteuerte Schaltelement wiederholt geschlossen, dass dem aufzuladenden Modul 91 bis 94 zugeordnet ist. Soll die in dem dritten induktiven Speicherelement 32 zwischengespeicherte Ladung beispielsweise auf das Modul 93 übertragen werden, müsste das zweite gesteuerte Schaltelement 23 wiederholt geschlossen werden.Alternatively, you could also get the charge from all the modules 91 to 94 and this targeted to one of the modules 91 to 94 transfer. In this case, first repeatedly disconnect the third controlled switching element 31 so that the over the entire accumulator 9 decreasing voltage the third inductive coupling element 32 charging. In addition, the second controlled switching element is repeatedly closed that the module to be charged 91 to 94 assigned. Should the in the third inductive storage element 32 cached charge, for example, on the module 93 be transmitted, the second controlled switching element would have 23 be closed repeatedly.

Ist die Ladung zwischen den Modulen 91 bis 94 dann so verteilt, dass über ihnen eine gleiche oder fast gleiche Spannung abfällt, können in weiteren Schritten Ladungen innerhalb der Module 91 bis 94 ausgetauscht werden, um die Sekundärzellen 911 bis 943 in einen annähernd gleichen Ladungszustand zu bringen. Auch der Ladungsaustausch innerhalb der Module 91 bis 94 erfolgt über induktive Speicherelemente, nämlich den ersten induktiven Speicherelementen 151 bis 183. Soll beispielsweise die Ladung aus der Sekundärzelle 922 auf alle Sekundärzellen 921 bis 923 des zweiten Moduls 92 verteilt werden, wird zunächst das erste gesteuerte Schaltelement 122 zum wiederholten Schließen angesteuert. Das erste induktive Speicherelement 162, dass in Reihe zu dem gesteuerten Schaltelement 122 liegt, wird dann von der Sekundärzelle 922 aufgeladen. Außerdem wird das zweite gesteuerte Schaltelement 22 wiederholt geschlossen. Die in dem ersten induktiven Speicherelement 122 gespeicherte Energie wird auf das zweite induktive Speicherelement 26 übertragen, welches zu einer Induktion einer Spannung in dem zweiten induktiven Speicherelement 26 führt. Diese Spannung liegt dann in dem zweiten Modul 92 an, und führt zu einem Aufladen aller Sekundärzellen 921, 922, 923 des Moduls 92.Is the charge between the modules 91 to 94 then distributed so that above them an equal or almost equal voltage drops, in further steps charges within the modules 91 to 94 be exchanged to the secondary cells 911 to 943 bring in an approximately same state of charge. Also the charge exchange within the modules 91 to 94 via inductive storage elements, namely the first inductive storage elements 151 to 183 , For example, if the charge from the secondary cell 922 on all secondary cells 921 to 923 of the second module 92 be distributed, first, the first controlled switching element 122 activated for repeated closing. The first inductive storage element 162 in that in series with the controlled switching element 122 is then from the secondary cell 922 charged. In addition, the second controlled switching element 22 repeatedly closed. The in the first inductive storage element 122 stored energy is applied to the second inductive storage element 26 which results in an induction of a voltage in the second inductive storage element 26 leads. This voltage is then in the second module 92 and leads to a charging of all secondary cells 921 . 922 . 923 of the module 92 ,

Soll dagegen die Ladung gezielt auf eine Sekundärzelle 911 bis 943 eines Moduls 91 bis 94 übertragen werden, muss zunächst das dem Modul zugeordnete zweite gesteuerte Schaltelement wiederholt geschlossen werden. Das führt dann zum Aufladen des zweiten induktiven Speicherelements, das in Reihe zu dem zweiten gesteuerten Schalter liegt. Wird auch das der aufzuladenden Sekundärzelle zugeordnete erste gesteuerte Schaltelement wiederholt geschlossen, wird die Energie auf das in Reihe zu dem geschlossenen ersten gesteuerten Schaltelement angeordneten ersten induktiven Speicherelement übertragen, was zu einer Aufladung der gewünschten Sekundärzelle führt.In contrast, the charge targeted to a secondary cell 911 to 943 a module 91 to 94 must be transferred, the second controlled switching element associated with the module must first be closed repeatedly. This then leads to the charging of the second inductive storage element, which is in series with the second controlled switch. If the first controlled switching element associated with the secondary cell to be charged is also closed repeatedly, the energy is transferred to the first inductive storage element arranged in series with the closed first controlled switching element, which leads to a charging of the desired secondary cell.

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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008021090 A1 [0002, 0003, 0004, 0005, 0008, 0028] DE 102008021090 A1 [0002, 0003, 0004, 0005, 0008, 0028]

Claims (8)

Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Sekundärzellen (911 bis 943) eines Akkumulators (9), der aus den in Reihe geschalteten Sekundärzellen (911 bis 943) zusammengesetzt ist, – wobei die Schaltungsanordnung erste Reihenschaltungen jeweils aus einem ersten steuerbaren Schaltelement und einem ersten induktiven Speicherelement und jeweils mit einem Anschlusspaar zum Verbinden mit einer der Sekundärzellen (911 bis 943) des Akkumulators (9) aufweist und – wobei die Schaltungsanordnung eine zweite Reihenschaltung mit einem zweiten steuerbaren Schaltelement (21 bis 24) und einem zweiten induktiven Speicherelement (25 bis 28) aufweist dadurch gekennzeichnet, – dass die Schaltungsanordnung die zweite Reihenschaltung mehrfach, aufweist und jede zweite Reihenschaltung ein Anschlusspaar zum Verbinden mit einem Modul (91 bis 94) des Akkumulators (9) umfassend einige der in Reihe geschalteten Sekundärzellen (911 bis 943) des Akkumulators (9) aufweist, – dass die ersten Reihenschaltungen, deren Anschlusspaare zum Verbinden mit den Sekundärzellen (911 bis 943) eines Moduls (91 bis 94) geeignet und eingerichtet sind, einer Gruppe von ersten Reihenschaltungen zugeordnet sind, und – dass die ersten induktiven Speicherelemente (151 bis 183) jeder der ersten Gruppen von ersten Reihenschaltungen induktiv mit dem zweiten induktiven Speicherelement (25 bis 28) der zweiten Reihenschaltung gekoppelt sind, die zum Verbinden mit dem Modul (91 bis 94) geeignet und eingerichtet ist, dem die Sekundärzellen (911 bis 948) zugehörig sind, mit denen die ersten Reihenschaltungen der vorgenannten Gruppe verbunden sind.Circuit arrangement for exchanging electrical charge between secondary cells ( 911 to 943 ) of an accumulator ( 9 ) derived from the series-connected secondary cells ( 911 to 943 ), wherein the circuit arrangement comprises first series circuits each of a first controllable switching element and a first inductive storage element and in each case with a connection pair for connection to one of the secondary cells ( 911 to 943 ) of the accumulator ( 9 ) and - wherein the circuit arrangement has a second series circuit with a second controllable switching element ( 21 to 24 ) and a second inductive storage element ( 25 to 28 ), characterized in that - the circuit arrangement has the second series circuit in multiple, and every second series circuit has a terminal pair for connection to a module ( 91 to 94 ) of the accumulator ( 9 ) comprising some of the series-connected secondary cells ( 911 to 943 ) of the accumulator ( 9 ), - that the first series circuits, their terminal pairs for connecting to the secondary cells ( 911 to 943 ) of a module ( 91 to 94 ) are suitable and arranged, are assigned to a group of first series circuits, and - that the first inductive storage elements ( 151 to 183 ) each of the first groups of first series circuits inductively with the second inductive storage element ( 25 to 28 ) of the second series circuit connected to the module ( 91 to 94 ) is adapted and set up, to which the secondary cells ( 911 to 948 ) are associated with which the first series circuits of the aforementioned group are connected. Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen in Reihe geschalteten Modulen (91 bis 94) eines Akkumulators (9), der aus in Reihe geschalteten Sekundärzellen (911 bis 948) zusammengesetzt ist, insbesondere Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung – mehrere zweite Reihenschaltungen jeweils aus einem zweiten steuerbaren Schaltelement (21 bis 24) und einem zweiten induktiven Speicherelement (25 bis 28) und jeweils mit einem Anschlusspaar zum Verbinden mit dem Modul des Akkumulators (9) aufweist und – eine dritte Reihenschaltung aus einem dritten steuerbaren Schaltelement (31) und einem dritten induktiven Speicherelement (32) und mit einem Anschlusspaar zum Verbinden mit dem Akkumulator (9) aufweist.Circuit arrangement for exchanging electrical charge between modules connected in series ( 91 to 94 ) of an accumulator ( 9 ) consisting of series-connected secondary cells ( 911 to 948 ), in particular circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the circuit arrangement - a plurality of second series circuits each consist of a second controllable switching element ( 21 to 24 ) and a second inductive storage element ( 25 to 28 ) and each with a connection pair for connecting to the module of the accumulator ( 9 ) and - a third series connection of a third controllable switching element ( 31 ) and a third inductive storage element ( 32 ) and with a connection pair for connecting to the accumulator ( 9 ) having. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten induktiven Speicherelemente (25 bis 28) mit dem dritten induktiven Speicherelement (32) induktiv gekoppelt sind.Circuit arrangement according to Claim 2, characterized in that the second inductive storage elements ( 25 to 28 ) with the third inductive storage element ( 32 ) are inductively coupled. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Speicherelemente (151 bis 183, 25 bis 28, 32) als Leiterwindungen auf einem Schaltungsträger angeordnet sind.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inductive storage elements ( 151 to 183 . 25 to 28 . 32 ) are arranged as conductor turns on a circuit carrier. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Kopplung der induktiven Speicherelemente (151 bis 183, 25 bis 28, 32) durch Ferritkerne (41, 42) erfolgt.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inductive coupling of the inductive storage elements ( 151 to 183 . 25 to 28 . 32 ) by ferrite cores ( 41 . 42 ) he follows. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine Steuerungs- und Überwachungseinheit aufweist, welche zum Überwachen der Spannungen der Sekundärzellen und zum Ansteuern der steuerbaren Schaltelemente (111 bis 143, 21 bis 24, 32) geeignet und eingerichtet ist.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the circuit arrangement has a control and monitoring unit, which for monitoring the voltages of the secondary cells and for driving the controllable switching elements ( 111 to 143 . 21 to 24 . 32 ) is suitable and furnished. Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Sekundärzellen (911 bis 943) eines Akkumulators (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärzellen (911 bis 943) in Reihe geschaltet in einem Modul (91 bis 94) des Akkumulators (9) angeordnet sind und die Module (91 bis 94) in Reihe geschaltet sind, insbesondere zur Durchführung mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zum Austausch der Ladung zwischen den Sekundärzellen (911 bis 943) des Moduls (91 bis 94) ein erstes induktives Speicherelement (151 bis 183), das in einer ersten Reihenschaltung parallel zu einer der Sekundärzellen (911 bis 948) des Moduls (91 bis 94) angeordnet ist, und ein zweites induktives Speicherelement (25 bis 28), das in einer zweiten Reihenschaltung parallel zu dem Modul (91 bis 94) angeordnet ist, auf- oder entladen werden.Method for exchanging electrical charge between secondary cells ( 911 to 943 ) of an accumulator ( 9 ), characterized in that the secondary cells ( 911 to 943 ) connected in series in a module ( 91 to 94 ) of the accumulator ( 9 ) and the modules ( 91 to 94 ) are connected in series, in particular for implementation with a circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, wherein for exchanging the charge between the secondary cells ( 911 to 943 ) of the module ( 91 to 94 ) a first inductive storage element ( 151 to 183 ), which in a first series connection parallel to one of the secondary cells ( 911 to 948 ) of the module ( 91 to 94 ), and a second inductive storage element ( 25 to 28 ), in a second Series connection parallel to the module ( 91 to 94 ) is arranged to be loaded or unloaded. Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen in Reihe geschalteten Modulen (91 bis 94) eines Akkumulators (9), der aus in Reihe geschalteten Sekundärzellen (911 bis 943) zusammengesetzt ist, insbesondere Verfahren nach Anspruch 7 und/oder insbesondere zur Durchführung mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Austausch der Ladung zwischen den Modulen (91 bis 94) ein zweites induktives Speicherelement (25 bis 28), das in einer ersten Reihenschaltung parallel zu einer der Sekundärzellen (911 bis 943) des Moduls (91 bis 94) angeordnet ist, und ein zweites induktives Speicherelement (25 bis 28), das in einer zweiten Reihenschaltung parallel zu dem Modul (91 bis 94) angeordnet ist, auf- oder entladen werden.Method for exchanging electrical charge between modules connected in series ( 91 to 94 ) of an accumulator ( 9 ) consisting of series-connected secondary cells ( 911 to 943 ), in particular the method according to claim 7 and / or in particular for implementation with a circuit arrangement according to one of claims 2 to 6, characterized in that for exchanging the charge between the modules ( 91 to 94 ) a second inductive storage element ( 25 to 28 ), which in a first series connection parallel to one of the secondary cells ( 911 to 943 ) of the module ( 91 to 94 ), and a second inductive storage element ( 25 to 28 ) arranged in a second series connection parallel to the module ( 91 to 94 ) is arranged to be loaded or unloaded.
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