DE102010037094A1 - Ladungsausgleichsschaltung und Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung schlägt eine Ladungsausgleichsschaltung vor, mit der ein direkter Ladungsausgleich über einen DC/DC-Wandler zwischen zwei beliebigen Batteriezellen eines Batteriestacks möglich ist. Der DC/DC-Wandler ist vorzugsweise über einen DC-Bus und eine Schaltermatrix mit dem Batteriestack gekoppelt. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs. Dabei kann während des Betriebs des Batteriestacks die jeweils kapazitätsschwächste Batteriezelle identifiziert und gezielt von einer kapazitätsstärkeren Batteriezelle mit Ladung versorgt werden.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungsausgleichsschaltung für eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen sowie auf ein Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs zwischen solchen Batteriezellen.
• Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
• Vor dem Hintergrund der zunehmenden Ressourcenknappheit und der von konventionellen Verbrennungsmotoren hervorgerufenen Emissionen treten alternative Antriebskonzepte, wie bspw. Elektro- und Hybridantriebe, zunehmend in dem Blickpunkt des Interesses. Die Leistungsfähigkeit und die praktischen Einsatzmöglichkeiten solcher Fahrzeuge entscheiden sich danach, ob und wie es gelingt, in den Fahrzeugen einen möglichst großen Energievorrat zu speichern und ihn effizient abzurufen bzw. aufzufüllen. Der Batteriesystemtechnik kommt daher für die Elektromobilität ein besonderer Stellenwert zu.
• In einer Reihenschaltung von Batteriezellen, einem sogenannten Batteriestack, bestimmt die schwächste Batteriezelle die verfügbare Ladung und damit maßgeblich das Verhalten des gesamten Batteriestacks. Es kann nur so lange Ladung in den Batteriestack eingebracht werden, wie die schwächste Batterie Ladung aufnehmen kann. Ebenso muss die Entnahme von Ladung beendet werden, wenn eine der Zellen des Batteriestacks die Entladeschlussspannung erreicht hat. Eine darüber hinausgehende Entladung würde zur Schädigung der Zelle führen. Daher kann dem Batteriestack nicht mehr Ladung entnommen werden, als die schwächste Batteriezelle zulässt.
• Um den Energievorrat des Batteriestacks angesichts dieser Einschränkungen optimal zu nutzen, sind im Stand der Technik Ladungsausgleichsschaltungen (Charge-Equalizer-Schaltungen) bekannt, welche einen Ladungsausgleich zwischen starken und schwachen Zellen ermöglichen, um die Gesamtkapazität des Batteriestacks zu erhöhen. Beim Entladevorgang wird einer schwachen Zelle die fehlende Ladung von den anderen Zellen zugeführt. Dadurch wird eine Tiefentladung und die damit einhergehende Schädigung der schwachen Batteriezelle vermieden. Beim Ladevorgang wird die Zelle mit der geringsten Kapazität dadurch vor Überladung geschützt, dass die überschüssige Ladung abgeführt und anderen Zellen zugeführt wird.
• Der Ladungsausgleich zwischen schwachen und starken Batteriezellen kann beispielsweise über einen Kondensator erfolgen. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass keine Regelung der Spannung notwendig ist. Ein Umschalten mit hoher Wiederholungsrate genügt, um die Spannung hinreichend auszugleichen. Jedoch treten bei der Ladung und Entladung eines Kondensators große Verluste auf. Auch kann die Kapazität des Kondensators nur unzureichend genutzt werden, wenn er nur über einen kleinen Spannungshub umgeladen wird.
• Als Alternative schlagen Park et al. in ihrem Artikel „A Modularized Charge Equalizer for an HEV Lithium-Ion Battery String", IEEE Transactions an Industrial Electronics, Bd. 56, Nr. 5 (Mai 2009) einen Ladungstransfer über DC/DC-Wandler vor. Pro Batteriezelle ist ein bidirektionaler Wandler vorgesehen, so dass beim Laden und Entladen die Ladung stets über zwei DC/DC-Wandler übertragen wird. Die einzelnen Batteriezellen können modular in Untereinheiten zusammengefasst werden, welche dann jeweils über eine zusätzliche Ladungsausgleichschaltung einer höheren Spannungsebene untereinander gekoppelt werden können.
• Ein Nachteil dieser Anordnung liegt in der großen Zahl erforderlicher DC/DC-Wandler, welche die Ladungsausgleichsschaltung und ihre Steuerung fehleranfällig macht und zudem die Herstellungskosten erhöht. Zudem setzt die zweistufige Übertragung den Wirkungsgrad der Ladungsübertragung herab.
• Eine Ladungsausgleichsschaltung, welche mit einer geringeren Anzahl an DC/DC-Wandlern auskommt, wird in der Patentschrift US 7,579,842 B2 vorgeschlagen. Die Reduzierung wird erreicht, indem einander benachbarte Batteriezellen jeweils zu Zellengruppen zusammengefasst werden, wobei jeder der Zellengruppen ein über ein Multiplexer-Modul angeschlossener DC/DC-Wandler zugeordnet ist. Die Gesamtzahl der DC/DC-Wandler entspricht daher nur der Anzahl der Untergruppen, nicht der Gesamtzahl der Batteriezellen. Jedoch ermöglicht die in der US 7,579,842 B2 vorgestellte Schaltung lediglich den Ladungsausgleich zwischen einer Batteriezelle und einer Untergruppe von Batteriezellen, nicht jedoch den Ladungsausgleich zwischen beliebigen Batteriezellen des Batteriestacks. Ein Nachteil dieser Konfiguration liegt darin begründet, dass beim Ladungsausgleich zwischen einer Einzelzelle und einer Untergruppe von Batteriezellen hohe Spannungsdifferenzen auftreten können. Je höher die Spannungsdifferenz, desto höher ist der Aufwand, welcher für ein präzises Schalten und genaues Messen erforderlich ist.
• Eine ähnliche Schaltungskonfiguration unter Verwendung gemultiplexter Transformatoren, welche die gleichen Probleme aufweist und wiederum keinen Ladungsausgleich zwischen einzelnen Zellen ermöglicht, beschreiben S. W. Moore und P. J. Schneider in ihrem Artikel „A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems", Proc. SAE 2001 World Congress, Detroit, März 2001.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund der genannten Probleme darin, eine verbesserte Ladungsausgleichsschaltung anzugeben, welche mit einem geringen Aufwand an aktiven und passiven Bauelementen einen verlustarmen und präzise steuerbaren Ladungsausgleich innerhalb des Batteriestacks ermöglicht.
• Überblick über die Erfindung
• Diese Aufgabe wird durch eine Ladungsausgleichsschaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
• Eine erfindungsgemäße Ladungsausgleichsschaltung für eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen umfasst zumindest einen DC/DC-Wandler sowie eine Anschlusseinheit, welche dazu eingerichtet ist, zum Ladungsausgleich eine elektrische Verbindung über den zumindest einen DC/DC-Wandler zwischen Polanschlüssen zweier beliebiger einzelner Batteriezellen der Reihe herzustellen, wobei die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, zumindest eine erste Batteriezelle der Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen über nur einen DC/DC-Wandler wahlweise entweder mit einer zweiten Batteriezelle oder einer dritten Batteriezelle der Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen zu verbinden.
• Indem die erfindungsgemäße Ladungsausgleichsschaltung den Ladungsausgleich zwischen beliebigen einzelnen Batteriezellen der Reihe ermöglicht, können hohe Spannungsdifferenzen beim Ladungsausgleich vermieden werden. Dies erlaubt den Einsatz von Niederspannungsbauelementen, welche präzise schaltbar sind und eine genauere Messung der auftretenden Ströme und Spannungen erlauben. Indem die Anschlusseinheit den Ladungsausgleich zwischen einer ersten Batteriezelle und mehreren weiteren Batteriezellen der Reihe einstufig, d. h. über nur einen einzelnen DC/DC-Wandler, erlaubt, wird zudem die Anzahl erforderlicher aktiver Bauelemente reduziert.
• Die erfindungsgemäße Ladungsausgleichsschaltung ermöglicht daher bei geringem Herstellungsaufwand einen präzise schaltbaren und steuerbaren Ladungsausgleich, zwei im Stand der Technik bislang einander ausschließende Anforderungen. Da der Ladungsausgleich zwischen beliebigen einzelnen Batteriezellen der Reihe erfolgen kann, wird die Einsatzflexibilität erhöht und die bestmöglichen Nutzung des im Batteriestack gespeicherten Energievorrats möglich.
• Vorzugsweise ist die Anschlusseinheit dazu eingerichtet, zwischen zwei beliebigen Batteriezellen der Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen eine einstufige Verbindung, d. h. eine Verbindung über nur einen einzelnen DC/DC-Wandler, herzustellen. Dadurch wird die Anzahl aktiver Bauelemente weiter reduziert.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der DC/DC-Wandler zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse, wobei die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, die Eingangsanschlüsse mit den Polanschlüssen einer ersten Batteriezelle der Reihe zu verbinden und die Ausgangsanschlüsse mit den Polanschlüssen einer zweiten Batteriezelle der Reihe, welche von der ersten Batteriezelle verschieden ist, zu verbinden. Dadurch lässt sich über den DC/DC-Wandler ein Ladungsausgleich zwischen der ersten Batteriezelle der Reihe und der zweiten Batteriezelle der Reihe erreichen. Vorzugsweise ist die Anschlusseinheit dazu eingerichtet, die Eingangsanschlüsse und/oder die Ausgangsanschlüsse wahlweise mit den Polanschlüssen jeder der Batteriezellen der Reihe zu verbinden.
• Vorzugsweise umfasst die Anschlusseinheit einen DC-Bus mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Busleitung, wobei die erste Busleitung und die zweite Busleitung mit einem ersten Eingangsanschluss bzw. zweiten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers verbindbar oder verbunden sind und die dritte Busleitung und die vierte Busleitung mit einem ersten Ausgangsanschluss bzw. zweiten Ausgangsanschluss des DC/DC-Wandlers verbindbar oder verbunden sind.
• Der DC-Bus ermöglicht es, in einfacher Weise wahlweise beliebige Batteriezellen der Reihe zum Ladungsausgleich über einen gemeinsamen DC/DC-Wandler zu verbinden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anschlusseinheit eine Schaltermatrix zum selektiven Verbinden zweier Eingangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers mit den Polanschlüssen einer ersten Batteriezelle der Reihe und zum selektiven Verbinden zweier Ausgangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers mit den Polanschlüssen einer zweiten Batteriezelle der Reihe.
• Die Schaltermatrix erlaubt es, auf einfache Weise eine variabel schaltbare Verbindung der Eingangsanschlüsse bzw. Ausgangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers mit den Polanschlüssen der Batteriezellen herzustellen und dadurch den Ladungsausgleich zu ermöglichen.
• Vorzugsweise ist die Schaltermatrix dazu eingerichtet, die Eingangsanschlüsse und/oder Ausgangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers mit jedem der Polanschlüsse jeder der Batteriezellen des Batteriestacks zu verbinden. Dadurch lässt sich ein besonders flexibler Betrieb der Ladungsausgleichsschaltung gewährleisten, bei dem jede Batteriezelle des Batteriestacks über den DC/DC-Wandler jede andere Batteriezelle des Stacks unterstützen kann bzw. umgekehrt von ihr unterstützt werden kann.
• Eine Schaltermatrix im Sinne der Erfindung ist eine Konfiguration von Schaltelementen, welche dazu eingerichtet ist, durch gezieltes Ansteuern der Schaltelemente die Polanschlüsse zumindest zweier Batteriezellen des Batteriestacks, vorzugsweise von mehr als zwei oder aller Batteriezellen des Batteriestacks, wahlweise mit den Eingangsanschlüssen und/oder Ausgangsanschlüssen des DC/DC-Wandlers zu verbinden.
• Vorzugsweise umfasst die Anschlusseinheit sowohl einen DC-Bus mit einem oder allen der vorgenannten Merkmale als auch eine Schaltermatrix mit einem oder allen der vorgenannten Merkmale, wobei die Schaltermatrix dazu eingerichtet ist, mindestens einen Polanschluss zumindest einer Batteriezelle selektiv mit einer der vier Busleitungen zu verbinden.
• Die Schaltermatrix kann dazu eingerichtet sein, mindestens einen Polanschluss zumindest einer Batteriezelle selektiv mit jeder der vier Busleitungen zu verbinden.
• Vorzugsweise ist jeder der Polanschlüsse jeder der Batteriezellen über die Schaltermatrix selektiv mit jeder der vier Busleitungen verbindbar. Dies ermöglicht die größtmögliche Schaltflexibilität und den Ladungsaustausch zwischen zwei beliebigen Batteriezellen des Batteriestacks über nur einen DC/DC-Wandler.
• Zum Erreichen der vollen Schaltflexibilität kann es jedoch ausreichend sein, wenn die Schaltermatrix derart ausgebildet ist, dass die Polanschlüsse zweier ausgewählter Batteriezellen der Reihe, beispielsweise der ersten Batteriezelle der Reihe und der letzten Batteriezelle der Reihe, nur mit jeweils zwei der vier Busleitungen verbindbar sind.
• Die Schaltermatrix kann einen Stufenschalter und/oder eine Anordnung von Relais-Schaltelementen umfassen.
• Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltermatrix auch Halbleitertransistorelemente, insbesondere MOSFET-Transistoren, umfassen. Halbleitertransistorelemente sind besonders verschleißarm und gewährleisten über eine lange Lebensdauer einen zuverlässigen Schaltbetrieb der Schaltermatrix.
• In einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sind die Sourceanschlüsse mehrerer Halbleitertransistorelemente miteinander verbunden und/oder die Drainanschlüsse mehrerer Halbleitertransistorelemente miteinander verbunden.
• Eine solche Common-Source-Ausführung bzw. Common-Drain-Ausführung der Schaltermatrix ermöglicht das Zusammenfassen einer Vielzahl von Anschlüssen auf ein gemeinsames Ansteuerniveau, so dass sich die Ansteuerung der Schaltermatrix wesentlich vereinfacht und die Anzahl der erforderlichen Bauelemente weiter herabgesetzt wird.
• Bei einer Ladungsausgleichsschaltung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Anschlusseinheit einen DC-Bus mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Busleitung, wobei die erste Busleitung und die zweite Busleitung mit einem ersten Eingangsanschluss bzw. zweiten Eingangsanschluss des DC/DC-Wandlers verbindbar oder verbunden sind und wobei die dritte Busleitung und die vierte Busleitung mit einem ersten Ausgangsanschluss bzw. zweiten Ausgangsanschluss des DC/DC-Wandlers verbindbar oder verbunden sind, wobei zumindest ein Polanschluss zumindest einer Batteriezelle der Reihe mit jeder der vier Busleitungen über jeweils zwei in Reihe geschaltete Halbleitertransistorelemente verbunden ist.
• Vorzugsweise ist zumindest ein Polanschluss jeder der Batteriezellen der Reihe mit jeder der vier Busleitungen über jeweils zwei in Reihe geschaltete Halbleitertransistorelemente verbunden. Besonders vorzugsweise ist jeder Polanschluss jeder der Batteriezellen der Reihe mit jeder der vier Busleitungen über jeweils zwei in Reihe geschaltete Halbleitertransistorelemente verbunden.
• Die Reihenschaltung der Halbleitertransistorelemente ermöglicht eine bidirektionalen Sperrbetrieb, d. h. das Sperren sowohl des Ladungstransports vom Polanschluss zum DC-Bus als auch umgekehrt von dem DC-Bus zu dem Polanschluss.
• In der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung kann der DC/DC-Wandler sowohl ein bidirektionaler als auch ein unidirektionaler DC/DC-Wandler sein.
• In einer Weiterbildung umfasst die Ladungsausgleichsschaltung eine erste Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen und eine zweite Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen, wobei die Anschlusseinheit einen ersten DC-Bus umfasst, dessen Busleitungen jeweils mit zumindest einem Teil der Polanschlüsse der Batteriezellen der ersten Gruppe verbunden oder verbindbar sind, und einen zweiten DC-Bus umfasst, dessen Busleitungen jeweils mit zumindest einem Teil der Polanschlüsse der Batteriezellen der zweiten Gruppe verbunden oder verbindbar sind, wobei ein erster DC/DC-Wandler mit Busleitungen des ersten DC-Bus verbunden oder verbindbar ist und die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, zum Ladungsausgleich innerhalb der ersten Gruppe eine elektrische Verbindung über den ersten DC/DC-Wandler zwischen Polanschlüssen zweier beliebiger einzelner Batteriezellen der ersten Gruppe herzustellen, und/oder wobei ein zweiter DC/DC-Wandler mit Busleitungen des zweiten DC-Bus verbunden oder verbindbar ist und die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, zum Ladungsausgleich innerhalb der zweiten Gruppe eine elektrische Verbindung über den zweiten DC/DC-Wandler zwischen Polanschlüssen zweier beliebiger einzelner Batteriezellen der zweiten Gruppe herzustellen, wobei Busleitungen des ersten DC-Bus über einen dritten DC/DC-Wandler mit Busleitungen des zweiten DC-Busses verbunden oder verbindbar sind.
• Die Weiterbildung ermöglicht einen modularen Aufbau der Ladungsausgleichsschaltung durch Kopplung einer ersten Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen, welche an eine erste Ladungsausgleichsschaltung gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist, mit einer zweiten Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen, welche gegebenenfalls an eine zweite Ladungsausgleichsschaltung nach einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen gekoppelt ist, über einen DC/DC-Wandler zu einer Gesamtladungsausgleichsschaltung. Auf diese Weise lassen sich aus zwei oder mehreren erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltungen modular Ladungsausgleichsschaltungen für eine größere Anzahl von Batteriezellen zusammensetzen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die auf die Schaltelemente der Schaltermatrix wirkenden Spannungen begrenzt werden sollen.
• In einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform kann die Anschlusseinheit ferner eine erste Schaltermatrix zum selektiven Verbinden zweier Eingangsanschlüsse des ersten DC/DC-Wandlers mit den Polanschlüssen einer ersten Batteriezelle der ersten Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen und zum selektiven Verbinden zweier Ausgangsanschlüsse des ersten DC/DC-Wandlers mit den Polanschlüssen einer zweiten Batteriezelle der ersten Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen umfassen. Die Anschlusseinheit kann ferner eine zweite Schaltermatrix zum selektiven Verbinden zweier Eingangsanschlüsse des zweiten DC/DC-Wandlers mit den Polanschlüssen einer ersten Batteriezelle der zweiten Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen und zum selektiven Verbinden zweier Ausgangsanschlüsse des zweiten DC/DC-Wandlers mit den Polanschlüssen einer zweiten Batteriezelle der zweiten Gruppe in Reihe geschalteter Batteriezellen umfassen.
• Der erste bzw. zweite DC-Bus, der erste, zweite bzw. dritte DC/DC-Wandler sowie die erste und zweite Schaltermatrix können jeweils ein DC-Bus, ein DC/DC-Wandler bzw. eine Schaltermatrix mit einem oder mehreren Merkmalen gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen sein.
• Der dritte DC/DC-Wandler ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein bidirektionaler DC/DC-Wandler. Alternativ kann der dritte DC/DC-Wandler eine Antiparallelschaltung zweier unidirektionaler DC/DC-Wandler umfassen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ladungsausgleichsschaltung eine Messvorrichtung zur Messung der Spannung zumindest eines Teils der Batteriezellen, vorzugsweise sämtlicher Batteriezellen.
• Vorzugsweise ist die Messvorrichtung zur Messung einer zwischen zwei Busleitungen des DC-Bus anliegenden Spannung angeschlossen. Damit lasst sich mit einer einzigen Messvorrichtung durch geeignetes Beschalten des DC-Bus, besonders vorzugsweise unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Schaltermatrix, wahlweise eine Messung an einer ersten Batteriezelle oder an einer zweiten Batteriezelle der in Reihe geschalteten Batteriezellen ausführen, besonders vorzugsweise wahlweise an jeder der in Reihe geschalteten Batteriezellen.
• Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Ladungsausgleichsschaltung eine Steuervorrichtung zum Ermitteln einer Rangfolge der Kapazität zumindest eines Teils der Batteriezellen der Reihe und zum Ansteuern der Anschlusseinheit derart, dass die jeweils kapazitätsschwächste Batteriezelle selektiv durch zumindest eine andere Batteriezelle unterstützt wird.
• Indem die Steuervorrichtung die Rangfolge der Kapazitäten der Batteriezellen ermittelt, kann sie den Ladungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen vorausschauend steuern. Insbesondere können kapazitätsschwache Batteriezellen bereits frühzeitig unterstützt werden, bevor sie sich ihrer Entladeschlussspannung nähern. Dadurch wird eine verbesserte Nutzung des Energievorrats des Batteriestacks möglich.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Schaltermatrix für eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen, bei welcher die Sourceanschlüsse mehrerer Halbleitertransistorelemente miteinander verbunden sind und/oder die Drainanschlüsse mehrere Halbleitertransistorelemente miteinander verbunden sind.
• Wie vorangehend ausgeführt, lassen sich in dieser Konfiguration die Source-Anschlüsse bzw. Drain-Anschlüsse mehrerer Halbleitertransistorschaltelemente auf ein gemeinsames Ansteuerniveau zusammenfassen. Auf diese Weise lässt sich eine Schaltermatrix mit einer Vielzahl von Schaltkonfiguration mit einer geringen Anzahl von Bauelementen erreichen. Darin liegt ein unabhängiger Aspekt der Erfindung.
• Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Schaltermatrix mindestens ein Polanschluss mindestens einer Batteriezelle über jeweils zwei in Reihe geschaltete Halbleitertransistorelemente mit jeder von vier Busleitungen eines DC-Busses verbindbar.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs zwischen mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen, bei dem der Ladezustand zumindest eines Teils der Batteriezellen, vorzugsweise aller Batteriezellen, ermittelt wird und eine Anschlusseinheit derart angesteuert wird, dass in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands eine erste Batteriezelle von zumindest einer zweiten Batteriezelle mit Ladung versorgt wird.
• Wie vorangehend mit Bezug auf die Steuervorrichtung dargestellt, lässt sich auf diese Weise eine Steuerung des Ladungsausgleichs erreichen, bei der die kapazitätsschwachen Batteriezellen frühzeitig unterstützt werden, so dass der Energievorrat des Batteriestacks optimal genutzt werden kann.
• Die Anschlusseinheit kann eine Anschlusseinheit gemäß einer der vorangehenden Ausführungsformen sein.
• In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Ladezustands in zumindesten einem Kalibrierschritt vor dem Betrieb der Batteriezellen. Aus den ermittelten Daten lässt sich ein Batteriemodell bzw. Steuerschema entwickeln, welches der nachfolgenden Steuerung der Anschlusseinheit während des Betriebs der Batteriezellen zugrunde gelegt werden kann, um einen optimalen Ladungsausgleich zu erreichen.
• Alternativ kann das Ermitteln des Ladezustandes fortgesetzt während des Betriebs der Batteriezellen erfolgen. Auf diese Weise lässt sich das Steuerschema bzw. Batteriemodell fortwährend an Änderungen der Batterieparameter, beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen der Batteriezellen, anpassen.
• Vorzugsweise wird eine Rangfolge der Kapazität zumindest eines Teils der Batteriezellen erstellt.
• In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die jeweils kapazitätsschwächste Batteriezelle identifiziert und von zumindest einer von der kapazitätsschwächsten Batteriezelle verschiedenen Batteriezelle mit Ladung versorgt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform beginnt der Ladungsausgleich, bevor die kapazitätsschwächste Batteriezelle eine Entladungsschlussspannung erreicht hat.
• Vorzugsweise erfolgt das Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs unter Verwendung einer Ladungsausgleichsschaltung und/oder einer Schaltermatrix mit einem oder mehreren der vorgenannten Merkmale.
• Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
• Die Merkmale und zahlreichen Vorteile der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung sowie der erfindungsgemäßen Schaltermatrix und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs lassen sich am Besten anhand einer detaillierten Beschreibung der Zeichnungen verstehen, in denen:
• 1a ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung in einer schematischen ersten Schalterstellung zeigt;
• 1b die Ladungsausgleichsschaltung der 1a in einer zweiten Schalterstellung zeigt;
• 2 den Aufbau einer Schaltermatrix mit Relaisschaltelementen in einer schematischen Ausschnittsdarstellung zeigt;
• 3a ein Modul einer Schaltermatrix mit MOSFET-Transistoren in Common-Drain-Anordnung zeigt;
• 3b ein Blockschaltbild eines Ausschnitts der aus Modulen nach 3a aufgebauten Schaltermatrix in Common-Drain-Anordnung und deren Kopplung an einen DC-Bus zeigt;
• 4 ein Blockschaltbild einer modular aufgebauten Ladungsausgleichsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
• 5 schematisch die Ansteuerung der Schaltelemente einer Schaltermatrix in einer Serien-Parallel-Umsetzung einschließlich Rückführung zeigt.
• 1a zeigt eine Ladungsausgleichsschaltung 10, welche an einen Batteriestack 12 gekoppelt ist, in schematischer Darstellung. Der gezeigte Batteriestack 12 umfasst beispielhaft vier in Reihe geschaltete Batterien 141, 142, 143, 144. Grundsätzlich kann der Batteriestack 12 eine beliebige Anzahl von in Reihe geschalteten Batterien umfassen. Der Batteriestack 12 muss nicht alleingestellt sein, sondern kann bspw. ein Teilabschnitt eines größeren Batteriestacks sein oder durch eine Teilmenge von Batteriezellen eines größeren Batteriestacks definiert sein.
• (i) Schaltungskonfiguration
• Die gezeigte Ladungsausgleichsschaltung 10 ist dreigeteilt und umfasst einen DC/DC-Wandler 16, welcher über einen DC-Bus 18 und eine Schaltermatrix 20 mit dem Batteriestack 12 verbunden ist, um einen Ladungsausgleich zwischen zwei beliebigen Batteriezellen des Batteriestacks 12 zu ermöglichen. Der DC-Bus 18 und die Schaltermatrix 20 bilden zusammen eine Anschlusseinheit zum Anschließen des DC/DC-Wandlers 16 an den Batteriestack 12.
• Der DC/DC-Wandler 16 hat eine Eingangsseite mit zwei Eingangsanschlüssen 221, 222 sowie eine Ausgangsseite mit zwei Ausgangsanschlüssen 241, 242. Um Batteriezellen auf unterschiedlichem Potential umzuladen, weist der DC/DC-Wandler 16 eine galvanische Trennung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite auf, welche im Blockschaltbild der 1a durch ein Trafozeichen angezeigt wird. Solche DC/DC-Wandler 16 sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
• Die Eingangsanschlüsse 221, 222 des DC/DC-Wandlers 16 sind über eingangsseitige Busanschlüsse 261, 262 mit einer ersten Busleitung 281 bzw. zweiten Busleitung 282 des DC-Bus 18 verbunden, wohingegen die Ausgangsanschlüsse 241, 242 des DC/DC-Wandlers 16 über Busanschlüsse 263, 264 mit einer dritten Busleitung 283 bzw. vierten Busleitung 284 des DC-Bus 18 verbunden sind.
• Die gezeigte Schaltermatrix 20 umfasst fünf Schaltelemente 301, 302, 303, 304, 305, wobei das Schaltelement 30x, jeweils mit einem korrespondierenden Polanschluss 32x des Batteriestacks 12 elektrisch verbunden ist. Das Schaltelement 301 ist in der gezeigten Darstellung das erste bzw. oberste Schaltelement des Batteriestacks 12. Das fünfte Schaltelement 305 ist das letzte bzw. unterste Schaltelement des Batteriestacks 12. Die Polanschlüsse 321, 322, 323 und 324 sind den Batteriezellen 141, 142, 143 bzw. 144 jeweils vorgeschaltet, während der Polanschluss 325 der letzten Batteriezelle 144 nachgeschaltet ist, so dass jeder der Polanschlüsse mit Ausnahme des ersten Polanschlusses 321 und des letzten Polanschlusses 325 zwischen zwei benachbarten Batteriezellen des Batteriestacks 12 angeordnet ist. Allgemein umfasst eine Schaltermatrix zum Anschluss an ein Batteriestack mit x Batteriezellen x + 1 Schaltelemente (zur Verbindung mit x + 1 Polanschlüssen).
• Über das Schaltelement 302 ist der zugehörige Polanschluss 322 durch Wahl der Schalterstellung selektiv mit jeder der vier Busleitungen 281, 282, 283 und 284 verbindbar. Zusätzlich weist das zweite Schaltelement 302 auch eine weitere Schalterstellung auf, in der der Polanschluss 322 von dem DC-Bus 18 isoliert ist.
• Das dritte Schaltelement 303 und das vierte Schaltelement 304 der Schaltermatrix 20 weisen entsprechende Schaltkonfigurationen auf. Im Unterschied dazu umfasst das erste Schaltelement 301 statt fünf nur drei Schalterstellungen: Neben einer Schalterstellung, in welcher der zugehörige erste Polanschluss 321 vollständig von dem DC-Bus 18 getrennt ist, eine erste Schalterstellung zum Verbinden des ersten Polanschlusses 321 mit der ersten Busleitung 281 sowie eine zweite Schalterstellung zum Verbinden des ersten Polanschlusses 321 mit der dritten Busleitung 283.
• Entsprechend weist auch das mit dem fünften Polanschluss 325 verbundene letzte Schaltelement 305 nur drei Schalterstellungen auf: Neben einer Schalterstellung, in welcher der Polanschluss 325 von dem DC-Bus 18 isoliert ist, eine erste Schalterstellung zum Verbinden des Polanschlusses 325 mit der zweiten Busleitung 282 sowie eine zweite Schaltstellung zum Verbinden des Polanschlusses 325 mit der vierten Busleitung 284.
• Im Blockschaltbild der 1a sind die Schaltelemente 301 bis 305 schematisch als Stufenschalter dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Stufenschalter beschränkt; bevorzugte Ausführungsformen der Schaltelemente werden nachfolgend mit Bezug auf 2, 3a und 3b erläutert.
• Zum Ladungsausgleich zwischen zwei Batteriezellen des Batteriestacks 12 werden die Batteriezellen über die Schaltermatrix 20 und den DC-Bus 18 mit der Ausgangsseite bzw. Eingangsseite des DC-Wandlers 16 miteinander verbunden. In der Darstellung der 1a ist beispielhaft gezeigt, wie der Pluspol der ersten Batteriezelle 141 über den ersten Polanschluss 321 und das erste Schaltelement 301 mit der ersten Busleitung 281 verbunden ist, während der Minuspol der ersten Batteriezelle 141 über den zweiten Polanschluss 322 und das zweite Schaltelement 302 mit der zweiten Busleitung 282 verbunden ist. Alle übrigen Batteriezellen des Batteriestacks 12 sind von der ersten Busleitung 281 und der zweiten Busleitung 282 getrennt. Über die Busanschlüsse 261, 262 liegt deshalb an den Eingangseinschlüssen 221, 222 des DC/DC-Wandlers 16 die Potentialdifferenz der ersten Batteriezelle 141 an.
• Der Pluspol der vierten Batteriezelle 144 ist über den Polanschluss 324 und das vierte Schaltelement 304 mit der dritten Busleitung 283 und von dort über den Busanschluss 263 mit dem Ausgangsanschluss 241 des DC/DC-Wandlers verbunden, während der Minuspol der vierten Batteriezelle 144 über den Polanschluss 325 und das fünfte Schaltelement 305 mit der vierten Busleitung 284 und von dort über den vierten Busanschluss 264 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 242 des DC/DC-Wandlers 16 verbunden ist. Die übrigen Batteriezellen 142 und 143 sind dagegen vom DC-Bus 18 getrennt.
• Über den DC/DC-Wandler 16 kann in der dargestellten Schaltungskonfiguration dann die vierte Batteriezelle 144 von der ersten Batteriezelle 141 geladen werden.
• Ist der DC/DC-Wandler 16 ein bidirektionaler Wandler, kann in der in 1a dargestellten Schaltungskonfiguration auch umgekehrt die erste Batteriezelle 141 von der vierten Batteriezelle 144 geladen werden, indem der DC/DC-Wandler den Energiefluss vom Ausgangsanschluss 241, 242 zum Eingangsanschluss 221, 222 umkehrt.
• Die erfindungsgemäße Ladungsausgleichsschaltung ist jedoch nicht auf bidirektionale DC/DC-Wandler beschränkt, sondern kann auch unter Verwendung eines einfacher aufgebauten und kostengünstigeren unidirektionalen DC/DC-Wandlers implementiert werden. Ein Laden der ersten Batteriezelle 141 aus der vierten Batteriezelle 144 lasst sich in diesem Fall durch Umschalten des ersten Schaltelements 301 von der ersten Busleitung 281 auf die dritte Busleitung 283, des zweiten Schaltelements 302 von der zweiten Busleitung 282 auf die vierte Busleitung 284, des vierten Schaltelements 304 von der dritten Busleitung 283 auf die erste Busleitung 281 sowie des fünften Schaltelements 305 von der vierten Busleitung 284 auf die zweite Busleitung 282 erreichen. Diese alternative Schaltungskonfiguration ist im Blockschaltbild der 1b gezeigt, welches im übrigen mit 1a übereinstimmt. Das Umschalten kann zur Vermeidung von Kurzschlüssen so erfolgen, dass ausgehend von der ersten Schaltposition zunächst alle Schaltelemente 301, 302, 304, 305 von dem DC-Bus getrennt werden, bevor die zweite Schaltposition eingestellt wird.
• Die Polanschlüsse 321 bzw. 322 sind nach dem Umschalten über die dritte 283 und vierte Busleitung 284 und deren Busanschlüsse 263 bzw. 264 mit den Ausgangsanschlüssen 241 bzw. 242 des DC/DC-Wandlers 16 verbunden, so dass an den Ausgangsanschlüssen die Potentialdifferenz der ersten Batteriezelle 141 anliegt. Entsprechend sind die Polanschlüsse 324 bzw. 325 über die Busanschlüsse 261 bzw. 262 mit den Eingangsanschlüssen 221 bzw. 222 des DC/DC-Wandlers 16 verbunden, so dass an dessen Eingangsseite die Potentialdifferenz der vierten Batteriezelle 144 anliegt. Die vierte Batteriezelle 144 kann dann die erste Batteriezelle 141 unterstützen.
• Werden zwei im Batteriestack 12 benachbarte Zellen zusammengeschaltet, welche sich einen Polanschluss teilen, sind über die Schaltermaterix 20 allerdings nur jeweils drei Busleitungen des DC-Bus 18 angebunden. In diesem Fall kann durch Schließen des Verbindungsschalters 34 über eine Überbrückungsleitung 36 einer der Eingangsanschlüsse 222 mit einem der Ausgangsanschlüsse 241 des DC/DC-Wandlers 16 direkt gekoppelt werden. In der in den 1a und 1b dargestellten Konfiguration liegen dann die zweite Busleitung 282 und die dritte Busleitung 283 auf gleichem Potential. Für den Ladungsausgleich zwischen nicht benachbarten Zellen des Batteriestacks 12 ist der Verbindungsschalter 34 dagegen, wie in den 1a und 1b gezeigt, geöffnet.
• Alternativ können zwei benachbarte Batteriezellen des Batteriestacks 12 auch dadurch zum Ladungsausgleich über den DC/DC-Wandler 16 verbunden werden, dass ihr gemeinsamer Polanschluss direkt über das zugehörige Schaltelement mit zwei der Busleitungen des DC-Bus 18 verbunden wird. Auf den Verbindungsschalter 34 und die Überbrückungsleitung 36 kann dann verzichtet werden. Allerdings erfordert diese Alternativlösung Schaltelemente, welche die gleichzeitige Anwahl von zwei Zuständen erlauben.
• Mit der dargestellten Schaltungskonfiguration lässt sich durch geeignete Wahl der Schalterstellungen der Schaltelemente 301 bis 305 jede Batteriezelle des Batteriestacks 12 mit jeder anderen zum Ladungsausgleich über den DC/DC-Wandler 16 zusammenschalten. Jede Zelle des Batteriestacks 12 kann daher jede andere Zelle unterstützen und umgekehrt von ihr unterstützt werden. Energie kann so zielgerichtet von einer starken zu einer schwachen Batteriezelle transferiert werden. Damit lässt sich eine sehr flexible und variable Steuerung des Ladungsausgleichs der einzelnen Batteriezellen erreichen.
• Da mit der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung 10 zum Ladungsausgleich jeweils einzelne Batteriezellen zusammengeschaltet werden, sind die auftretenden Spannungsdifferenzen verhältnismäßig gering, so dass sowohl der DC/DC-Wandler 16 selbst als auch die Messgeräte zur Spannungs- und Strommessung in einem Niederspannungs-Design ausgeführt werden können. Dies setzt nicht nur die Herstellungskosten herab, sondern erlaubt auch eine präzisere Schaltbarkeit und eine genauere Messung von Spannung und Stromstärke.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungskonfiguration liegt darin, dass die Kombination der Schaltermatrix 20 mit dem DC-Bus 18 den Ladungsausgleich zwischen zwei beliebigen Batteriezellen des Batteriestacks 12 über nur einen einzigen DC/DC-Wandler 16 erlaubt. Die einstufige Energiewandlung führt einerseits zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Andererseits kann die Ladungsausgleichsschaltung besonders kostengünstig oder verlustoptimal verwirklicht werden.
• (ii) Schaltermatrix
• Eine Schaltermatrix zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung 10 kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
• Eine besonders einfache und kostengünstige Lösung sind Relaisschaltelemente. 2 zeigt ein einzelnes Schaltelement 302 der Schaltermatrix 20 exemplarisch in einer Detaildarstellung. Das Schaltelement 302 umfasst in der gezeigten Darstellung vier binäre Relaisschaltelemente 381, 382, 383, 384 in Staffelung. Über das erste Relaisschaltelement 381 kann die Verbindung des Schaltelements 302 zum Polanschluss 322 getrennt werden. Soll das erste Schaltelement 302 eine Verbindung zwischen Polanschluss 322 und DC/DC-Wandler 16 herstellen, wird über das nachfolgende zweite Relaisschaltelement 382 ausgewählt, ob der Polanschluss 322 eingangsseitig oder ausgangsseitig an den DC/DC-Wandler 16 angeschlossen werden soll. Im eingangsseitigen Zweig wird unter Verwendung des dritten Relaisschaltelements 383 entweder der erste Eingangsanschluss 221 oder der zweite Eingangsanschluss 222 ausgewählt, im ausgangsseitigen Zweig unter Verwendung des vierten Relaisschaltelements 384 entweder der erste Ausgangsanschluss 241 oder der zweite Ausgangsanschluss 242.
• 2 zeigt ein Schaltelement 302 der Schaltermatrix 20 mit fünf Schaltpositionen. Sind dagegen, wie beispielsweise für das erste Schaltelement 301 oder das letzte Schaltelement 305 des Batteriestacks 12, nur drei unterschiedliche Schaltpositionen erforderlich, kann auf die Relaisschaltelemente 383 und 384 verzichtet werden, so dass sich das Schaltelement mit lediglich zwei Relaisschaltelementen realisieren lässt.
• Alternativ oder zusätzlich können die Schaltelemente der Schaltermatrix 20 auch Halbleitertransistorelemente, insbesondere MOSFET-Transistoren, umfassen. Da Halbleitertransistorelemente keinem mechanischen Verschleiß unterliegen, lässt sich auf diese Weise eine besonders langlebige Schaltermatrix erreichen. Halbleitertransistorelemente lassen sich auch besonders schnell umschalten, so dass die Schaltermatrix nahezu verzögerungsfrei arbeitet. Die Durchlassspannung ist bei Niedervolt-MOSFET-Transistoren vernachlässigbar gering, so dass sich auch ein hoher Wirkungsgrad der Gesamtschaltung ergibt.
• 3a zeigt beispielhaft ein Schaltelement 302 der Schaltermatrix 20, welches acht MOSFET-Transistorelemente 4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042 umfasst. Die MOSFET-Transistoren teilen sich in dem Schaltelement 302 auf vier parallele Leitungszweige 421, 422, 423, 424 auf, von denen je einer den Polanschluss 322 mit dem ersten Eingangsanschluss 221, dem zweiten Eingangsanschluss 222, dem ersten Ausgangsanschluss 241 und dem zweiten Ausgangsanschluss 242 des DC/DC-Wandlers 16 verbindet. In jedem der vier Zweige 421 bis 424 sind zwei Transistorelemente in Reihe geschaltet, wobei die Drainanschlüsse der Transistorelemente miteinander verbunden sind (sog. Common-Drain-Anordnung). Beispielsweise ist im ersten Zweig 421 des Schaltelements der Drainanschluss 4611 des Transistorelements 4011 mit dem Drainanschluss 4612 des Transistorelements 4012 verbunden, und entsprechend in den übrigen Zweigen 422, 423 und 424. Indem die Transistorelemente in jedem Zweig gegeneinander geschaltet sind, lässt sich der Ladungsfluss innerhalb der Zweige durch geeignete Ansteuerung der Gateelektroden 48 in beiden Richtungen sperren.
• Wird keiner der MOSFET-Transistoren 40 des Schaltelements 302 gateseitig angesteuert, ist der Polanschluss 322 vom DC-Bus 18 vollständig getrennt. Eine leitfähige Verbindung zum DC-Bus wird durch Ansteuern der betreffenden Transistoren erreicht. Beispielsweise kann durch Ansteuern der Gateanschlüsse 4831 und 4832 der Transistorelemente 4031 und 4032 eine Verbindung des Polanschlusses 322 mit dem ersten Eingangsanschluss 241 des DC/DC-Wandlers 16 hergestellt werden, und entsprechend für die übrigen Transistorelemente.
• Die übrigen Schaltelemente der Schaltermatrix 20 können entsprechend aufgebaut sein. Für das erste Schaltelement 301 und das letzte Schaltelement 305 des Batteriestacks 12 sind jedoch, wie vorstehend mit Bezug auf die 1a und 1b beschrieben, Verbindungen zu jeweils zwei Busleitungen ausreichend, so dass nur jeweils zwei Zweige erforderlich sind, wodurch sich die Anzahl der Transistorelemente halbiert.
• Ein Vorteil der beschriebenen Konfiguration liegt darin, dass die Transistoren im Fall eines Kurzschlusses Spannung aufnehmen können und damit die Schaltung entsättigen. Sie werden dann abgeschaltet. Die Gesamtanordnung wird dadurch vor Schäden durch Fehlsteuerung, beispielsweise durch Kurzschluss von Teilen der Batterie über die Schaltermatrix mit damit verbundenem sehr hohen Entladestrom, geschützt.
• Ein weiterer besonderer Vorteil der in 3a illustrierten Ausführung zeigt sich bei Kombination mehrerer solcher Schaltelemente in einer Schaltermatrix 20. In 3b sind zwei baugleiche benachbarte Schaltelemente 302 und 303 sowie deren Verbindung mit den Buslinien des DC-Bus 18 gezeigt. Jedes der Schalterelemente 302 und 303 entspricht in Aufbau und Beschaltung dem vorstehend mit Bezug auf 3a beschriebenen Schaltelement, so dass hier auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann. Wie sich aus 3b ergibt, koppelt die erste Buslinie 281 die jeweils ersten Zweige 421 bzw. 421' der beiden Schaltelemente 302 und 303. Entsprechend koppeln die zweiten, dritten bzw. vierten Buslinien 282, 283, 284 die zweiten, dritten und vierten Zweige der Schaltelemente 302 und 303.
• Diese Konfiguration erlaubt es vorteilhaft, die Sourceanschlüsse mehrerer Schalter auf einem gemeinsamen Ansteuerniveau zusammenzufassen. Beispielsweise liegen in der in 3b gezeigten Anordnung die Sourceanschlüsse 4411, 4421, 4431 und 4441 der Transistoren 4011, 4021, 4031 bzw. 4041 des Schaltelements 302 auf einem gemeinsamen Bezugspotential. Entsprechend liegen die Sourceanschlüsse 44'11, 44'21, 44'31 und 44'41 der Transistoren 4011', 4021', 4031' bzw. 4041' des Schaltelements 303 auf einem gemeinsamen Bezugspotential. Ferner liegen die Sourceanschlüsse 4412 und 44'12 der Transistoren 4012 bzw. 4012', welche über die erste Busleitung 281 verbunden sind, auf einem gemeinsamen Bezugspotential. Entsprechend liegen auch die Sourceanschlüsse 4422 und 44'22, die Sourceanschlüsse 4432 und 44'32 sowie die Sourceanschlüsse 4442 und 44'42 auf jeweils einem gemeinsamen Bezugspotential. In entsprechender Weise können über die Buslinien die Schaltelemente 302 und 303 busseitig mit weiteren identisch aufgebauten Schaltelementen verbunden sein, so dass alle einander entsprechenden busseitigen Transistorelemente dieser Schaltelemente auf jeweils einem gemeinsamen Bezugspotential liegen.
• Durch die Common-Drain-Konfiguration wird der Aufbau und Betrieb der Schaltermatrix wesentlich vereinfacht. Insbesondere minimiert die Konfiguration die Anzahl erforderlicher Spannungsquellen.
• Ein solcher Vorteil lässt sich nicht nur mit der in den 3a und 3b gezeigten Common-Drain-Konfiguration erreichen, sondern auch mit einer Common-Source-Konfiguration, in welcher die Source- und Drainanschlüsse aller Transistorelemente der Konfiguration gegenüber der in den 3a und 3b gezeigten Ausführung vertauscht sind. Für die Ansteuerung können zusätzliche Hilfsspannungsquellen vorgesehen sein.
• (iii) Modularität
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung liegt darin, dass sie modular aus Untereinheiten aufgebaut werden kann. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn mit Rücksicht auf die Schaltelemente der Schaltermatrix die entlang einer Busleitung auftretenden Potentialdifferenzen begrenzt werden sollen.
• Ein modularer Aufbau einer Ladungsausgleichsschaltung 10 aus zwei Untereinheiten wird im folgenden beispielhaft mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 zeigt einen Batteriestack 12, dessen Batteriezellen in eine erste Batteriezellengruppen 50 und eine zweite Batteriezellengruppe 52 aufgeteilt sind. Die erste Batteriezellengruppe 50 umfasst die Batteriezellen Batt₂, Batt₃ und Batt₄, während die zweite Batteriezellengruppe 52 die Batteriezellen Batt₁₀, Batt₁₁ sowie Batt₁₂ umfasst. Grundsätzlich können die erste Batteriezellengruppe 50 und die zweite Batteriezellengruppe 52 jede gewünschte Anzahl an Batteriezellen umfassen. Auch können neben der ersten Batteriezellengruppe 50 und der zweiten Batteriezellengruppe 52 weitere Batteriezellengruppen vorgesehen sein.
• Der ersten Batteriezellengruppe 50 sind eine erste Schaltermatrix 54, ein erster DC-Bus 56 sowie ein erster DC/DC-Wandler 58 zugeordnet. Die Polanschlüsse der Batteriezellen der ersten Batteriezellengruppe 50 sind über die Schalter der ersten Schaltermatrix 54 und die Busleitung des ersten DC-Bus 56 selektiv mit den Eingangsanschlüssen bzw. Ausgangsanschlüssen des ersten DC/DC-Wandlers 58 verbindbar, um einen Ladungsausgleich zwischen zwei beliebigen Batteriezellen der ersten Batteriezellengruppe 50 herbeizuführen. Die erste Schaltermatrix 54, der erste DC-Bus 56 und der erste DC/DC-Wandler 58 bilden in Kombination eine Ladungsausgleichsschaltung, wie sie vorangehend mit Bezug auf die 1a, 1b, 2, 3a und 3b beschrieben wurde. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung dieser Ausführungsformen Bezug genommen.
• Entsprechend sind die Batteriezellen der zweiten Batteriezellengruppe 52 über eine zweite Schaltermatrix 60 und einen zweiten DC-Bus 62 mit einem zweiten DC/DC-Wandler 64 verbindbar. Die Kombination aus zweiter Schaltermatrix 60, zweitem DC-Bus 62 und zweitem DC/DC-Wandler 64 bildet wiederum eine Ladungsausgleichsschaltung, die in ihren Bauelementen und Schalteigenschaften einer der vorangehend mit Bezug auf die 1a, 1b, 2, 3a und 3b beschriebenen Ausführungsformen entspricht und einen Ladungsausgleich zwischen zwei beliebigen Batteriezellen der zweiten Batteriezellengruppe 52 ermöglicht.
• Die Ladungsausgleichsschaltung für die erste Batteriezellengruppe 50 und die Ladungsausgleichsschaltung für die zweite Batteriezellengruppe 52 sind in der in 4 gezeigten Ausführung über einen dritten DC/DC-Wandler 66 miteinander verbunden. Dazu sind der erste Eingangsanschluss 681 und zweite Eingangsanschluss 682 des dritten DC/DC-Wandlers 66 mit der ersten Busleitung 281 bzw. zweiten Busleitung 282 des ersten DC-Bus 56 verbunden, während der erste Ausgangsanschluss 701 und der zweite Ausgangsanschluss 702 des dritten DC/DC-Wandlers 66 mit der dritten Busleitung 28'3 bzw. vierten Busleitung 28'4 des zweiten DC-Bus 62 verbunden sind.
• Der dritte DC/DC-Wandler 66 ist in der in 4 gezeigten Ausführung ein bidirektionaler DC/DC-Wandler. Alternativ können jedoch auch zwei antiparallel geschaltete unidirektionale Wandler eingesetzt werden, welche zusammen wiederum einen bidirektionalen Energiefluss ermöglichen.
• Während der Ladungsausgleich innerhalb der ersten Batteriezellengruppe 50 über den ersten DC/DC-Wandler 58 und innerhalb der zweiten Batteriezellengruppe 52 über den zweiten DC/DC-Wandler 64 erfolgt, ermöglicht der dritte DC/DC-Wandler 66 durch entsprechendes Beschalten der Busleitungen über die Schaltermatrix 54 bzw. 60 einen bidirektionalen Ladungsaustausch zwischen einer beliebigen Batteriezelle der ersten Batteriezellengruppe 50 und einer beliebigen Batteriezelle der zweiten Batteriezellengruppe 52.
• Mit dieser Schaltung ist ein verlustarmer Ladungsausgleich sowohl innerhalb als auch zwischen den Gruppen 50, 52 möglich. Wiederum erfolgt der Ladungsausgleich jeweils einstufig über nur einen einzigen DC/DC-Wandler. Zudem wird das Auftreten hoher Spannungen entlang der Buslinien vermieden. Die in 4 gezeigte Konfiguration ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gesamtspannung der Batterien des Batteriestacks 12 oberhalb von 50 V liegt, ein Ausgleich der Ladung von der obersten zur untersten Zelle aber dennoch angestrebt wird.
• (iv) Messung und Steuerung
• Für eine an den Ladezustand der Zellen angepasste Steuerung des oder der DC/DC-Wandler 16 bzw. 58, 64, 66 ist es wünschenswert, in den einzelnen Zellen des Batteriestacks 12 die Spannung und die transferierte Ladung mit hoher Genauigkeit potentialfrei zu messen. Zur Spannungsmessung können Spannungsteiler eingesetzt werden, für die Strommessung entweder Shunt-Widerstände oder Stromwandler auf Hallelement-Basis.
• Vorteilhafterweise sollte jede einzelne Zelle separat gemessen werden können. Dafür bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten an: In einer Ausführung kann die Schaltermatrix verwendet werden, um die Potentiale der Einzelzellen nacheinander auf eine der DC-Busleitungen zu legen und diese dann dort zu messen. Diese Variante hat den Vorteil, dass nur eine Messaufbereitung und eine Messeinrichtung benötigt wird.
• Alternativ kann auch jede Batteriezelle des Batteriestacks 12 für sich zur Messung angeschlossen werden. Diese Variante erfordert einen höheren schaltungstechnischen Aufwand, erlaubt jedoch die Messung zu jedem beliebigen Zeitpunkt, d. h. insbesondere auch während der Umladung. Auf diese Weise kann der Ladevorgang an der Quelle und/oder am Ziel verfolgt werden.
• Der Ladezustand einer Batteriezelle kann in der Regel durch unterschiedliche Messgrößen erfasst und abgeschätzt werden, insbesondere durch die Leerlaufspannung der Batteriezellen, die entnommene Ladung (als Integral der Stromstärke über die Zeit) sowie eine Messung der Spannung unter einem Leistungspuls.
• Bei Bleibatterien bietet die Leerlaufspannung ein gutes Abbild des Ladezustands, sofern die Temperatur der Batterie als Parameter einbezogen wird. Andere Batteriesysteme, beispielsweise Lithiumionenbatterien, weisen über einen weiten Ladezustandsbereich dagegen eine annähernd konstante Spannung auf, so dass eine Abschätzung des Ladezustands allein aus der Leerlaufspannung schwieriger ist. Die entnommene Ladung bietet ein gutes Maß, wenn die Nennkapazität oder Startkapazität der Batterie bekannt ist. Der Ladestrom bzw. der Entladestrom und die Temperatur können ebenfalls berücksichtigt werden.
• Die Messung wird vorteilhafterweise zyklisch an den einzelnen Batteriezellen durchgeführt. Wird dabei an einer der Zellen ein zu niedriger Ladezustand detektiert, wird die kapazitätsschwache Zelle durch eine kapazitätsstärkere Zelle unterstützt. Ist die kapazitätsstärkere Zelle ausgewählt, werden dazu durch eine Steuervorrichtung, beispielsweise einen Mikrocontroller 72, die den beiden Zellen zugeordneten Schaltelemente aktiviert, die Polanschlüsse der beiden Zellen, wie vorstehend beschrieben, über einen DC/DC-Wandler zusammengeschaltet und damit der Ladungsausgleich ermöglicht.
• Bei der Ansteuerung der Schaltelemente der Schaltermatrix soll eine gleichzeitige Beschaltung von zwei Zellen auf dieselbe Leitung nach Möglichkeit vermieden werden, da dadurch dieser Abschnitt des Batteriestacks kurzgeschlossen wird und der Batteriestack Schaden nehmen kann. Dies lässt sich durch Überwachung des DC-Bus verhindern, so dass der DC-Bus gezielt erst dann für eine Umschaltung freigegeben wird, wenn die vorherige Einstellung sicher entfernt wurde. Die für die Ansteuerung der Schaltelemente notwendige Potentialtrennung kann beispielsweise mit von der Stromrichtertechnik bekannten Methoden wie Optokopplern und Leve-Shiftern erfolgen.
• Bei vergleichsweise wenigen Schaltelementen kann jedes der Schaltelemente von der Steuervorrichtung 72 aus direkt angesteuert werden.
• Alternativ können den einzelnen Schaltelementen separate Modulschalter 74, 74', 74'' zugeordnet werden. In 5 ist eine Steueranordnung gezeigt, in der mehrere solche Modulschalter 74, 74', 74'' zu einer Kette verbunden sind. Das von der Steuervorrichtung 72 bereitgestellte Steuersignal wird von Modulschalter zu Modulschalter und von dort an die jeweils zugeordneten Schaltelemente 301, 302, 303, 304, 305 weitergegeben. Ein von dem letzten Modulschalter 74'' der Kette an die Steuervorrichtung 72 zurückgegebenes Kontrollsignal 76 zeigt an, ob die Schaltinformation fehlerfrei an alle Modulschalter weitergegeben wurde.
• (v) Vorausschauende Steuerung
• Die erfindungsgemäße Ladungsausgleichsschaltung ermöglicht eine vorausschauende Steuerung des Ladungsausgleichs, welche schwache Zellen frühzeitig unterstützt und auf diese Weise den Energievorrat des Batteriestacks 12 optimal nutzt.
• Vorzugsweise wird dazu unter Verwendung der Messgrößen Zellenspannung, Stromstärke, Temperatur und Anzahl der gefahrenen Lastzyklen sowie dem Alter der verwendeten Batteriezellen ein Batteriemodell entwickelt. Die Kalibrierung der Batteriezellen kann beispielsweise erfolgen, indem das Verhalten der Spannung bei Belastung mit einem großen Strompuls untersucht wird.
• Die für das Batteriemodell nötigen Informationen werden vorteilhafterweise in einem ersten unausgeregelten Entladevorgang ermittelt. Die Batterie, welche dabei als erste ihre Entladeschlussspannung erreicht, wird als schwächste Batterie identifiziert. Die schwächste Batterie kann dann gleichmäßig verteilt von allen übrigen Batteriezellen gestützt werden. Gleichzeitig wird die nächstschwächere Batterie ermittelt und anschließend von den restlichen Batteriezellen gestützt. Diese Kalibrierung kann so lange ausgeführt werden, bis ein Kapazitätsranking der Zellen ermittelt wurde. Eventuell können dafür mehrere Lade- und Entladevorgänge notwendig sein.
• Das Batteriemodell umfasst nach der Kalibrierung die nötigen Informationen über die individuelle Kapazität der einzelnen Batteriezellen des Batteriestacks, d. h. über ihr Vermögen, Ladung aufzunehmen und abzugeben. Auf Grundlage dieser Informationen kann mittels einer vorausschauenden Regelung der Batteriestack 12 optimal betrieben werden.
• Dazu kann beispielsweise für jede der Zellen der aktuelle Ladungszustand ermittelt werden. Zunächst wird die als schwächste berechnete Zelle unterstützt. Sind mehrere Zellen zu stützen, so kann das Verfahren auf die jeweils nächstschwächsten Zellen angewandt werden. Dadurch werden bereits vorausschauend die jeweils bedürftigen Zellen mit Ladung versorgt. Ein Vorteil der vorausschauenden Steuerung liegt darin, dass nicht im letzten Moment, d. h. bei oder kurz vor Erreichen der Entladeschlussspannung, die notwenige Ausgleichsladung transportiert werden muss, sondern kontinuierlich auf niedrigem Leistungsniveau die schwachen Zellen versorgt werden können. Die ist sowohl für die Auslegung der Schaltung als auch für die Begrenzung der Verlustleistung vorteilhaft.
• Die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und die Figuren dienen allein der beispielhaften Illustrierung der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung bzw. des Verfahrens zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs und sollen die Erfindung nicht beschränken. Der Schutzbereich ergibt sich allein aus den nachfolgenden Ansprüchen.
• Bezugszeichenliste

10

Ladungsausgleichsschaltung

12

Batteriestack

14₁, 14₂, 14₃, 14₄

Batteriezellen des Batteriestacks 12

16

DC/DC-Wandler

18

DC-Bus

20

Schaltermatrix

22₁, 22₂

Eingangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers 16

24₁, 24₂

Ausgangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers 16

26₁, 26₂, 26₃, 26₄

Busanschlüsse des DC-Bus 18

28₁, 28₁'

erste Busleitung des DC-Bus 18, 56 bzw. 62

28₂, 28₂'

zweite Busleitung des DC-Bus 18, 56 bzw. 62

28₃, 28₃'

dritte Busleitung des DC-Bus 18, 56 bzw. 62

28₄, 28₄'

vierte Busleitung des DC-Bus 18, 56 bzw. 62

30₁, 30₂, 30₃, 30₄, 30₅

Schaltelemente der Schaltermatrix 20

32₁, 32₂, 32₃, 32₄, 32₅

Polanschlüsse des Batteriestacks 12

34

Verbindungsschalter

36

Überbrückungsleitung

38₁, 38₂, 38₃, 38₄

Relaisschaltelemente der Schaltermatrix 20

40₁₁, 40₁₂, 40₂₁, 40₂₂, 40₃₁, 40₃₂, 40₄₁, 40₄₂

Transistorelemente des Schaltelementes

42₁, 42₂, 42₃, 42₄

Zweige des Schaltelements

44₁₁, 44₁₂, 44₂₁, 44₂₂, 44₃₁, 44₃₂, 44₄₁, 44₄₂

Sourceanschlüsse der Transistorelemente 4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042

46₁₁, 46₁₂, 46₂₁, 46₂₂, 46₃₁, 46₃₂, 46₄₁, 46₄₂

Drainanschlüsse der Transistorelemente 4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042

48₁₁, 48₁₂, 48₂₁, 48₂₂, 48₃₁, 48₃₂, 48₄₁, 48₄₂

Gateanschlüsse der Transistorelemente 4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042

50

erste Batteriezellengruppe

52

zweite Batteriezellengruppe

54

erste Schaltermatrix

56

erster DC-Bus

58

erster DC/DC-Wandler

60

zweite Schaltermatrix

62

zweiter DC-Bus

64

zweiter DC/DC-Wandler

66

dritter DC/DC-Wandler

68₁, 68₂

Eingangsanschlüsse des dritten DC/DC-Wandlers 66

70₁, 70₂

Ausgangsanschlüsse des dritten DC/DC-Wandlers 66

72

Steuervorrichtung

74, 74', 74''

Modulschalter

76

Kontrollsignal

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 7579842 B2 [0008]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Park et al. in ihrem Artikel „A Modularized Charge Equalizer for an HEV Lithium-Ion Battery String”, IEEE Transactions an Industrial Electronics, Bd. 56, Nr. 5 (Mai 2009) [0006]
• S. W. Moore und P. J. Schneider in ihrem Artikel „A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems”, Proc. SAE 2001 World Congress, Detroit, März 2001 [0009]

Claims (21)

1. Ladungsausgleichsschaltung (10) für eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen (141, 142, 143, 144) mit: zumindest einem DC/DC-Wandler (16; 58, 64, 66); und einer Anschlusseinheit, welche dazu eingerichtet ist, zum Ladungsausgleich eine elektrische Verbindung über den zumindest einen DC/DC-Wandler (16; 58, 64, 66) zwischen Polanschlüssen (321, 322, 323, 324, 325) zweier beliebiger einzelner Batteriezellen (14i, 142, 143, 144) der Reihe herzustellen, wobei die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, eine erste Batteriezelle (141 142, 143, 144) der Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen über nur einen DC/DC-Wandler (16; 58, 64, 66) wahlweise entweder mit einer zweiten Batteriezelle (141, 142, 143, 144) oder einer dritten Batteriezelle (141, 142, 143, 144) der Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen zu verbinden.
2. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach Anspruch 1, bei welcher der DC/DC-Wandler (16; 58, 64, 66) zwei Eingangsanschlüsse (221, 222; 681, 682) und zwei Ausgangsanschlüsse (241, 242; 701, 702) umfasst und die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, die Eingangsanschlüsse (221, 222; 681, 682) mit den Polanschlüssen (321, 322, 323, 324, 325) einer ersten Batteriezelle (141, 142, 143, 144) der Reihe zu verbinden und die Ausgangsanschlüsse (241, 242; 701, 702) mit den Polanschlüssen (321, 322, 323, 324, 325) einer zweiten Batteriezelle (141, 142, 143, 144) der Reihe, welche von der ersten Batteriezelle (141, 142, 143, 144) verschieden ist, zu verbinden.
3. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Anschlusseinheit einen DC-Bus (18; 56, 58) mit einer ersten (281, 28'1), einer zweiten (282, 28'2), einer dritten (283, 28'3) und einer vierten (284, 28'4) Busleitung umfasst, wobei die erste Busleitung (281, 28'1) und die zweite Busleitung (282, 28'2) mit einem ersten Eingangsanschluss (221; 681) bzw. zweiten Eingangsanschluss (222; 682) des DC/DC-Wandlers (16; 58, 64, 66) verbindbar oder verbunden sind und die dritte Busleitung (283, 283') und die vierte Busleitung (284, 284') mit einem ersten Ausgangsanschluss (241; 701) bzw. zweiten Ausgangsanschluss (242; 702) des DC/DC-Wandlers (16; 58, 64, 66) verbindbar oder verbunden sind.
4. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Anschlusseinheit eine Schaltermatrix (20; 54, 60) zum selektiven Verbinden zweier Eingangsanschlüsse (221, 222; 681, 682) des DC/DC-Wandlers (16; 58, 64, 66) mit den Polanschlüssen (321, 322, 323, 324, 325) einer ersten Batteriezelle (141, 142, 143, 144) der Reihe und zum selektiven Verbinden zweier Ausgangsanschlüsse (241, 242; 701, 702) des DC/DC-Wandlers (16; 58, 64, 66) mit den Polanschlüssen (321, 322, 323, 324, 325) einer zweiten Batteriezelle (141, 142, 143, 144) der Reihe umfasst.
5. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach Anspruch 3 und 4, bei welcher die Schaltermatrix (20) dazu eingerichtet ist, mindestens einen Polanschluss (321, 322, 323, 324, 325) zumindest einer Batteriezelle (141, 142, 143, 144) selektiv mit einer der vier Busleitungen (281, 282, 283, 284; 28'1, 28'2, 28'3, 28'4) zu verbinden.
6. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher die Schaltermatrix einen Stufenschalter und/oder eine Anordnung von Relaisschaltelementen (381, 382, 383, 384) umfasst.
7. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welcher die Schaltermatrix Halbleitertransistorelemente (4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042; 40'11, 40'12, 40'21, 40'22, 40'31, 40'32, 40'41, 40'42), insbesondere MOSFET-Transistoren, umfasst.
8. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach Anspruch 7, bei welcher die Sourceanschlüsse (4411, 4412, 4421, 4422, 4431, 4432, 4441, 4442; 44'11, 44'12, 44'21, 44'22, 44'31, 44'32, 44'41, 44'42) mehrerer Halbleitertransistorelemente (4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042; 40'11, 40'12, 40'21, 40'22, 40'31, 40'32, 40'41, 40'42) miteinander verbunden sind und/oder die Drainanschlüsse (4611, 4612, 4621, 4622, 4631, 4632, 4641, 4642; 46'11, 46'12, 46'21, 46'22, 46'31, 46'32, 46'41, 46'42) mehrerer Halbleitertransistorelemente (4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042; 40'11, 40'12, 40'21, 40'22, 40'31, 40'32, 40'41, 40'42) miteinander verbunden sind.
9. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Anschlusseinheit einen DC-Bus (18; 56, 62) mit einer ersten (2811; 281'), einer zweiten (282; 282'), einer dritten (283; 283') und einer vierten (284; 284') Busleitung umfasst, wobei die erste Busleitung (281; 281') und die zweite Busleitung (282; 282') mit einem ersten Eingangsanschluss (221; 681) bzw. zweiten Eingangsanschluss (222; 682) des DC/DC-Wandlers (16; 58, 64, 66) verbindbar oder verbunden sind und wobei die dritte Busleitung (283; 283') und die vierte Busleitung (284; 284') mit einem ersten Ausgangsanschluss (241; 701) bzw. zweiten Ausgangsanschluss (242; 702) des DC/DC-Wandlers (16; 58, 64, 66) verbindbar oder verbunden sind, wobei zumindest ein Polanschluss (321, 322, 323, 324, 325) zumindest einer Batteriezelle (141, 142, 143, 144) der Reihe mit jeder der vier Busleitungen (281, 282, 283, 284; 281', 282', 283', 284') über jeweils zwei in Reihe geschaltete Halbleitertransistorelemente (4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042; 40'11, 40'12, 40'21, 40'22, 40'31, 40'32, 40'41, 40'42) verbunden ist.
10. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer ersten Gruppe (50) in Reihe geschalteter Batteriezellen und einer zweiten Gruppe (52) in Reihe geschalteter Batteriezellen, wobei die Anschlusseinheit einen ersten DC-Bus (56) umfasst, dessen Busleitungen (281, 282, 283, 284) jeweils mit zumindest einem Teil der Polanschlüsse der Batteriezellen der ersten Gruppe (50) verbunden oder verbindbar sind, und einen zweiten DC-Bus (62) umfasst, dessen Busleitungen (28'1, 28'2, 28'3, 28'4) jeweils mit zumindest einem Teil der Polanschlüsse der Batteriezellen der zweiten Gruppe (52) verbunden oder verbindbar sind, wobei ein erster DC/DC-Wandler (58) mit Busleitungen (281, 282, 283, 284) des ersten DC-Bus verbunden oder verbindbar ist und die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, zum Ladungsausgleich innerhalb der ersten Gruppe (50) eine elektrische Verbindung über den ersten DC/DC-Wandler (58) zwischen Polanschlüssen zweier beliebiger einzelner Batteriezellen der ersten Gruppe (50) herzustellen, und/oder ein zweiter DC/DC-Wandler (64) mit Busleitungen (28'1, 28'2, 28'3, 28'4) des zweiten DC-Bus (62) verbunden oder verbindbar ist und die Anschlusseinheit dazu eingerichtet ist, zum Ladungsausgleich innerhalb der zweiten Gruppe (52) eine elektrische Verbindung über den zweiten DC/DC-Wandler (64) zwischen Polanschlüssen zweier beliebiger einzelner Batteriezellen der zweiten Gruppe (52) herzustellen, wobei Busleitungen (281, 282, 283, 284) des ersten DC-Bus (56) über einen dritten DC/DC-Wandler (66) mit Busleitungen (28'1, 28'2, 28'3, 28'4) des zweiten DC-Bus (62) verbunden oder verbindbar sind.
11. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Messvorrichtung zur Messung der Spannung zumindest eines Teils der Batteriezellen (141, 142, 143, 144), vorzugsweise sämtlicher Batteriezellen.
12. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach Anspruch 11 und 3, bei welcher die Messvorrichtung zur Messung einer zwischen zwei Busleitungen (281, 282, 283, 284; 28'1, 28'2, 28'3, 28'4) des DC-Bus (18; 56, 62) anliegenden Spannung angeschlossen ist.
13. Ladungsausgleichsschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuervorrichtung (72) zum Ermitteln einer Rangfolge der Kapazität zumindest eines Teils der Batteriezellen (141, 142, 143, 144) der Reihe und zum Ansteuern der Anschlusseinheit derart, dass die jeweils kapazitätsschwächste Batteriezelle (141, 142, 143, 144) selektiv durch zumindest eine andere Batteriezelle (141, 142, 143, 144) unterstützt wird.
14. Schaltermatrix (20; 54, 60) für eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen (141, 142, 143, 144), bei welcher die Sourceanschlüsse (4411, 4412, 4421, 4422, 4431, 4432, 4441, 4442, 4411', 4412', 4421', 4422', 4431', 4432', 4441', 4442') mehrerer Halbleitertransistorelemente (4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042; 4011', 4012', 4021', 4022', 4031', 4032', 4041', 4042') miteinander verbunden sind und/oder die Drainanschlüsse (4611, 4612, 4621, 4622, 4631, 4632, 4641, 4642; 4611', 4612', 4621', 4622', 4631', 4632', 4641', 4642') mehrerer Halbleitertransistorelemente (4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042; 4011', 4012', 4021', 4022', 4031', 4032', 4041', 4042') miteinander verbunden sind.
15. Schaltermatrix (20; 54, 60) nach Anspruch 14, bei welcher mindestens ein Polanschluss (321, 322, 323, 324, 325) mindestens einer Batteriezelle (141, 142, 143, 144) über jeweils zwei in Reihe geschaltete Halbleitertransistorelemente (4011, 4012, 4021, 4022, 4031, 4032, 4041, 4042; 4011', 4012', 4021', 4022', 4031', 4032', 4041', 4042') mit jeder von vier Busleitungen (281, 282, 283, 284; 281', 282', 283', 284') eines DC-Bus (18; 56, 62) verbindbar ist.
16. Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs zwischen mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen (141, 142, 143, 144) mit nachfolgenden Schritten: Ermitteln des Ladezustands zumindest eines Teils der Batteriezellen, vorzugsweise aller Batteriezellen; und Ansteuern einer Anschlusseinheit derart, dass in Abhängigkeit des ermittelten Ladezustands eine erste Batteriezelle von zumindest einer zweiten Batteriezelle mit Ladung versorgt wird.
17. Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs nach Anspruch 16, bei welchem das Ermitteln des Ladezustands fortgesetzt während des Betriebs der Batteriezellen (141, 142, 143, 144) erfolgt.
18. Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs nach Anspruch 16 oder 17 mit dem Schritt des Erstellen einer Rangfolge der Kapazität zumindest eines Teils der Batteriezellen (141, 142, 143, 144).
19. Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei welchem die jeweils kapazitätsschwächste Batteriezelle (141, 142, 143, 144) identifiziert und von zumindest einer von der kapazitätsschwächsten Batteriezelle verschiedenen Batteriezelle (141, 142, 143, 144) mit Ladung versorgt wird.
20. Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei welchem der Ladungsausgleich beginnt, bevor die kapazitätsschwächste Batteriezelle (141, 142, 143, 144) eine Entladeschlussspannung erreicht hat.
21. Verfahren zur vorausschauenden Steuerung des Ladungsausgleichs nach einem der Ansprüche 16 bis 20 unter Verwendung der Ladungsausgleichsschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder der Schaltermatrix (20; 54, 60) nach Anspruch 14 oder 15.

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