DE102010046702A1

DE102010046702A1 - Schaltung und Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen

Info

Publication number: DE102010046702A1
Application number: DE102010046702A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Röper
Original assignee: Atmel Automotive GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: US8810199B2; US20120074907A1; DE102010046702B4

Abstract

Schaltung und Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6), – bei dem mittels einer Steuerungsvorrichtung (300) eine Zellenspannung (UZ1, UZ2, UZ3, UZ4, UZ5, UZ6) der Akkumulatorzellen (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6) bestimmt wird, – bei dem mittels der Steuerungsvorrichtung (300) eine erste Akkumulatorzelle (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6) der Akkumulatorzellen (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6) zur Entladung oder Ladung bestimmt wird, – bei dem erste Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und zweite Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) zur Auswahl der bestimmten ersten Akkumulatorzelle (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6) von der Steuerungsvorrichtung (300) angesteuert werden, – bei dem die ersten Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und die zweiten Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) von der Steuerungsvorrichtung (300) angesteuert werden, eine erste Verbindung und eine zweite Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der ausgewählten ersten Akkumulatorzelle (Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6) und zwei Anschlüssen (201, 202) einer Speichervorrichtung (200) zu schalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung und Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen.
Aus „DYNAMIC EQUALIZATION TECHNIQUES FOR SERIES BATTERY STACKS", N. H. Kutkut, IEEE, 1996 sind Schaltungen zum dissipativen und nicht-dissipativen Ladungsausgleich von in Reihe geschalteten Lithium-Ion-Akkumulatorzellen (engl. stack) bekannt. Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden in häufigen Fällen in größeren Reihenschaltungen von vielen Zellen, so genannten „Stacks” betrieben, um eine hohe Gesamtspannung zu erzielen. Da die Zellen einer starken Produktionsstreuung unterliegen, ist es ohne Zusatzmaßnahmen nicht möglich, jede einzelne Zelle optimal voll zu laden. Die schwächste Zelle begrenzt wegen der Reihenschaltung die Energie, die aus dem Stack entnommen werden, bzw. in ihn hineingeladen werden kann. Besonders vor dem Hintergrund des hohen Preises für die Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen ist es daher wünschenswert, die Kapazität des Stacks möglichst optimal auszunutzen. Dies wird möglich, wenn es durch Zusatzmaßnahmen gelingt, jede einzelne Zelle der Reihenschaltung entsprechend ihrer maximalen Kapazität während des Ladevorgangs ganz voll zu laden bzw. beim Entladen die gesamte Energie zu entnehmen.
Zudem laufen die Kapazitäten der Zellen durch Alterung, Selbstentladung und andere Leckströme mit der Zeit auseinander. Dies führt dann dazu, dass die entnehmbare Energie im Akkumulator kleiner wird. Die Laufzeit des damit betriebenen Geräts – z. B. ein Elektroauto – wird somit geringer. Um dem entgegenzuwirken, müssen die Zellen von Zeit zu Zeit durch einen Ladungsausgleich wieder neu ausbalanciert werden.
Ein Verfahren für den Ladungsausgleich ist das so genannte „Passiv Balancing”, bei dem die Zellen, die kurz vor dem Überladen stehen, mittels Widerständen, die parallel zur Zelle geschaltet werden, entladen werden. Dabei wird jedoch die gesamte überschüssige Energie in Verlustwärme umgesetzt. Neuere Verfahren arbeiten mit verlustarmen Speicherelementen, beispielsweise mit Spulen.
Aus „Cell balancing buys extra run time and battery life", S. Wen, Texas Instruments Incorporated, Analog Applications Journal, 1Q/2009 ist eine Schaltung zum Ladungsausgleich bekannt. Durch die Schaltung wird mittels einer Spule und zwei MOS-Feldeffekttransistoren je Akkumulatorzelle gezielt Energie von einer Zelle auf die Nachbarzelle gepumpt. Durch die Schaltung sind hohe Ausgleichströme zwischen benachbarten Zellen möglich. Im Normalfall sind jedoch die Zelle, die Energie abgeben soll, und diejenige Zelle, die diese Energie aufnehmen muss, nicht direkt nebeneinander, sondern um etliche Zellen voneinander getrennt. Die Ladung muss also in mehreren Zyklen von Zelle zu Zelle gepumpt werden, bis sie endlich dort ankommt, wo sie wirklich gebraucht wird. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Schaltung drastisch reduziert und das Ausgleichen der Ladungen dauert lange.
Aus „A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Lithium Ion Battery Stacks", C. Bonfiglio und W. Rössler, IEEE, 2009, ist ebenfalls eine Schaltung zum Ladungsausgleich bekannt. In der Schaltung wird ein großer Übertrager verwendet, der für jede Akkumulatorzelle eine Sekundärwicklung aufweist. Die einzige Primärwicklung kann mit der gesamten Reihenschaltung der Akkumulatorzellen verbunden werden. Die Schaltung erlaubt es, entweder die Energie aus dem Stack zu nehmen und gezielt in eine beliebige Zelle zu schieben oder die Energie aus einer beliebigen Zelle zu entnehmen und sie in den gesamten Stack zurückzuspeisen. Der Vorteil der Schaltung liegt darin, dass die Zellen gezielt behandelt werden können. Große Ströme zum Ladungsausgleich können erzeugt werden. Der benötigte Spezialübertrager ist teuer und begrenzt zudem die Anzahl der Zellen, die von der Schaltung ausgeglichen werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltung zum Ladungsausgleich möglichst zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist eine Schaltung zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen vorgesehen. Zusätzlich zu den in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen benötigt die Schaltung eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Energie. Mittels der Speichervorrichtung ist eine Zwischenspeicherung während des Ladungsausgleichs möglich. Grundsätzlich kann jeder für die Zwischenspeicherung während des Ladungsausgleichs ausreichende Energiespeicher verwendet werden, bevorzugt weist die Speichervorrichtung zumindest eine Induktivität auf. Während des Ladungsausgleichs kann Energie im magnetischen Feld der Induktivität zwischengespeichert werden.
Die Schaltung weist eine Auswahlvorrichtung auf, die zur Verbindung von einer der Akkumulatorzellen mit der Speichervorrichtung eingerichtet ist. Die Auswahlvorrichtung weist erste Halbleiterschalter und zweite Halbleiterschalter auf. Die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter sind mit Anschlüssen der Akkumulatorzellen verbunden. Zudem sind die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter mit zwei Anschlüssen der Speichervorrichtung verbindbar. Beispielsweise sind die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter mit den zwei Anschlüssen der Speichervorrichtung über weitere Bauelemente, beispielweise Halbleiterschalter, verbindbar. Alternativ sind die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter an den zwei Anschlüssen der Speichervorrichtung angeschlossen. Die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter bilden dabei einen Umschalter zur Umschaltung zwischen den Akkumulatorzellen, wobei die Umschaltfunktion auch als Multiplexer bezeichnet werden kann.
Die Schaltung weist eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung einer ersten Auswahl einer ersten Akkumulatorzelle aus mehreren Akkumulatorzellen auf. Die Auswahl kann dabei auf unterschiedlichen Eingangsgrößen basieren. Beispielsweise wird die Auswahl durch die Steuerungsvorrichtung anhand von Messdaten – beispielsweise anhand gemessener Zellenspannungen – bestimmt. Alternativ kann die Auswahl zeitgesteuert – beispielweise zyklisch – erfolgen. Die Auswahl dient dabei einem Laden oder Entladen der ausgewählten ersten Akkumumlatorzelle. Mittels der Auswahl wird Energie aus der ersten Akkumulatorzelle entnommen und in die Speichervorrichtung abzugeben oder mittels der Auswahl wird Energie aus der Speichervorrichtung entnommen und in die erste Akkumulatorzelle abgegeben.
Die Steuerungsvorrichtung ist eingerichtet, durch eine Ansteuerung der ersten Halbleiterschalter temporär eine geschaltete erste Verbindung und durch eine Ansteuerung der zweiten Halbleiterschalter temporär eine zweite geschaltete Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der ausgewählten Akkumulatorzelle und den zwei Anschlüssen der Speichervorrichtung zu steuern. Beide notwendigen Verbindungen zum Entladen oder Laden der ausgewählten ersten Akkumulatorzelle werden daher durch die ersten und zweiten Halbleiterschalter geschaltet, so dass die Akkumulatorzelle mit keinem Anschluss der Speichervorrichtung festverdrahtet ist.
Durch eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung, wie diese beispielsweise in der 4 dargestellt ist, werden mehrere Vorteile erzielt. Die Auswahlvorrichtung ermöglicht es, von jeder beliebigen Akkumulatorzelle Energie auf die Speichervorrichtung zu übertragen. Durch die Ausbildung der Auswahlvorrichtung zum Schalten der ersten und zweiten Verbindung kann Ladung unter den Akkumulatorzellen nahezu beliebig ausgetauscht werden. Die ersten und zweiten Halbleiterschalter ermöglichen die Energieübertragung in beide Richtungen, so dass jede Akkumulatorzelle individuell geladen oder entladen werden kann. Hierdurch kann der gesamte Stack in kurzer Zeit ausbalanciert werden. Jede Akkumulatorzelle des Stacks kann dabei maximal voll geladen werden. Dadurch erhöht sich die Reichweite z. B. von Elektroautos, oder es kann ein billigerer Akkumulatortyp genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Ausführungsbeispiels der 4 ist hoch. Zudem stellt die Lösung gemäß der Ausführungsbeispiele eine besonders preisgünstige Lösung dar, weil nur relativ wenige preisgünstige Standardbauelemente verwendet werden. Insbesondere im Ausführungsbeispiel der 4 wird lediglich ein einziger separater Übertrager benötigt, alle anderen Bauelemente können auf einem einzigen Halbleiterchip monolithisch integriert werden.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein möglichst verbessertes Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in der Beschreibung enthalten.
Demzufolge ist ein Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen vorgesehen.
In einem Verfahrensschritt wird mittels einer Steuerungsvorrichtung zumindest eine Zellenspannung der Akkumulatorzellen bestimmt. Mittels der Steuerungsvorrichtung wird eine erste Akkumulatorzelle der Akkumulatorzellen zur Entladung oder Ladung bestimmt.
In einem weiteren Schritt werden erste Halbleiterschalter und zweite Halbleiterschalter zur Auswahl der bestimmten ersten Akkumulatorzelle von der Steuerungsvorrichtung angesteuert.
Dabei werden die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter von der Steuerungsvorrichtung angesteuert, eine erste Verbindung und eine zweite Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der ausgewählten ersten Akkumulatorzelle und zwei Anschlüssen einer Speichervorrichtung zeitgleich zu schalten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Auswahlvorrichtung einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten aufweist. Die ersten Halbleiterschalter sind an den ersten Knoten und die zweiten Halbleiterschalter sind an den zweiten Knoten angeschlossen. Auf den ersten Knoten und den zweiten Knoten wird durch die Umschaltung mittels der ersten Halbleiterschalter und der zweiten Halbleiterschalter die Zellenspannung der ausgewählten ersten Akkumulatorzelle geschaltet. Demzufolge fließt durch den ersten Knoten und den zweiten Knoten der Ladestrom bzw. Entladestrom der ersten Akkumulatorzelle.
Aufgrund der Auswahl unterschiedlicher Akkumulatorzellen können in dem ersten Knoten und in dem zweiten Knoten unterschiedliche Potentiale auftreten, die höher oder niedriger sein können als die Potentiale an den Anschlüssen der Akkumulatorzellen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante weist zumindest einer der ersten Halbleiterschalter und/oder der zweiten Halbleiterschalter zwei antiseriell verschaltete Feldeffekttransistoren auf.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsvariante sind die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter in einem integrierten Schaltkreis monolithisch integriert. Die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter sind vorzugsweise unmittelbar an Gehäuseanschlüssen angeschlossen, um Verlustleistungen zu minimieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuerungsvorrichtung zum zeitgleichen Schließen genau eines Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter und genau eines Halbleiterschalters der zweiten Halbleiterschalter eingerichtet. Durch das Schließen werden die erste geschaltete Verbindung und die zweite geschaltete Verbindung erzeugt. Dabei sind nicht mehrere Halbleiterschalter in Reihe zu Schließen. Beispielsweise im Ausführungsbeispiel, wie dies in 1 dargestellt ist dominieren lediglich die Einschaltwiderstände (R_DSon) der geschlossenen Halbleiterschalter die Verluste. Beispielsweise beträgt der Einschaltwiderstand (R_DSon) 1 Ohm, so dass beispielsweise ein Entladungs-/Ladestrom von 100 mA geschaltet werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, eine Zeitdauer zum Schließen eines Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter und eines Halbleiterschalters der zweiten Halbleiterschalter insbesondere in Abhängigkeit von einem Induktivitätswert der zumindest einen Induktivität zu steuern. Beispielsweise kann durch eine entsprechende Programmierung zwischen verschiedenen Zeitdauern ausgewählt werden. Ebenfalls ist es möglich, die Zeitdauer anhand von Messdaten einzustellen.
In einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante sind die ersten Halbleiterschalter und die zweiten Halbleiterschalter nicht nur zum Umschalten zwischen den Akkumulatorzellen, sondern auch zur Umschaltung der Polarität eingerichtet. Bevorzugt ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, zum Entladen einer ersten Akkumulatorzelle eine erste Zellenspannung der ersten Zelle auf die zwei Anschlüsse der Speichervorrichtung zu schalten und zum Laden einer zweiten Akkumulatorzelle eine zweite Zellenspannung der zweiten Zelle mit inverser Polarität auf die zwei Anschlüsse der Speichervorrichtung zu schalten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Speichervorrichtung lediglich eine einzige Induktivität aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Speichervorrichtung zumindest eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität auf. Bevorzugt sind die erste Induktivität und die zweite Induktivität transformatorisch gekoppelt. Beispielsweise bildet die erste Induktivität eine erste Spule und die zweite Induktivität eine zweite Spule, wobei die erste Spule und die zweite Spule vorteilhafterweise mittels eines Materials mit hoher magnetischer Leitfähigkeit (Ferrite) gekoppelt sind. Vorzugsweise weist die Speichervorrichtung einen Übertrager mit der ersten Induktivität, die als Primärwicklung bezeichnet werden kann, und mit der zweiten Induktivität, die als Sekundärwicklung bezeichnet werden kann, auf.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste Induktivität an die zwei Anschlüsse der Speichervorrichtung angeschlossen ist. Vorzugsweise weist die Speichervorrichtung zwei weitere Anschlüsse auf, an die die zweite Induktivität angeschlossen ist. Bevorzugt weist die Auswahlvorrichtung dritte Halbleiterschalter und vierte Halbleiterschalter auf. Vorteilhafterweise sind die dritten Halbleiterschalter und die vierten Halbleiterschalter mit den zwei weiteren Anschlüssen der Speichervorrichtung verbindbar oder unmittelbar an diese angeschlossen.
Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, durch eine Ansteuerung der dritten Halbleiterschalter eine geschaltete dritte Verbindung und durch eine Ansteuerung der vierten Halbleiterschalter eine geschaltete vierte Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der zweiten ausgewählten Akkumulatorzelle und den weiteren zwei Anschlüssen der Speichervorrichtung zu steuern. Beispielsweise kann hierdurch ein gleichzeitiges Entladen der ersten Akkumulatorzelle und Laden der zweiten Akkumulatorzelle erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist die Auswahlvorrichtung zumindest eine Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung auf. Die Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung weist sowohl die Funktion eines Wechselrichters als auch die Funktion eines Synchrongleichrichters auf. Ein Wechselrichter erzeugt aus einer Gleichspannung/Gleichstrom eine Wechselspannung/Wechselstrom. Ein Synchrongleichrichter erzeugt aus einer Wechselspannung/Wechselstrom eine Gleichspannung/Gleichstrom. Die Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung weist für die Funktionen des Wechselrichtens und des Synchrongleichrichtens Halbleiterschalter auf.
Bevorzugt ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, die Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung mittels eines periodischen Steuersignals zu steuern. Vorzugsweise werden die Halbleiterschalter mittels des periodischen Steuersignals geschaltet. Vorzugsweise ist die Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung eingerichtet, eine Polarität einer an den zwei Anschlüssen der Speichervorrichtung anliegenden Zellenspannung in Abhängigkeit vom periodischen Steuersignal zyklisch zu wechseln.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Speichervorrichtung zumindest eine erste Induktivität und eine zweite Induktivität auf. Die erste Induktivität und die zweite Induktivität sind transformatorisch gekoppelt. Die Auswahlvorrichtung weist eine erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung auf, die mit der ersten Induktivität verbindbar ist. Vorzugsweise ist die erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung direkt an die erste Induktivität angeschlossen. Zudem weist die Auswahlvorrichtung eine zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung auf, die mit der zweiten Induktivität verbindbar ist. Vorzugsweise ist die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung direkt an die zweite Induktivität angeschlossen. Die Steuerungsvorrichtung ist eingerichtet, zeitgleich die erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung als Wechselrichter und die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung als Synchrongleichrichter mittels periodischer Steuersignale zu steuern. Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung zudem eingerichtet, zeitgleich die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung als Wechselrichter und die erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung als Synchrongleichrichter mittels periodischer Steuersignale zu steuern.
Die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen
1 einen schematischen Blockschaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltung zum Ladungsausgleich,
2a ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterschalters,
2b ein zweites Ausführungsbeispiel eines Halbleiterschalters,
3 einen schematischen Blockschaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltung zum Ladungsausgleich, und
4 einen schematischen Blockschaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels einer Schaltung zum Ladungsausgleich.
In 1 ist eine Schaltung zum Ladungsausgleich durch ein Blockschaltbild schematisch dargestellt. Die Schaltung ist beispielhaft für drei Akkumulatorzellen Z₁, Z₂ und Z₃ dargestellt und kann auf eine größere Anzahl von Akkumulatorzellen – beispielsweise sechzehn Akkumulatorzellen – einfach erweitert werden. Die Akkumulatorzellen Z₁, Z₂, Z₃ sind in Reihe geschaltet, wobei sich die Zellenspannungen U_Z1, U_Z2, U_Z3 der Zellen Z₁, Z₂, Z₃ addieren. Zum Ausgleich einer unterschiedlichen Ladung der Akkumulatorzellen Z₁, Z₂, Z₃ wird eine erste Zelle Z₁ mit höherer Ladung entladen und eine zweite Zelle Z₂ mit niedriger Ladung durch einen Entladestrom der ersten Zelle Z₁ geladen. Während der Lade- und Entladevorgänge soll die Verlustleistung möglichst gering sein.
Die Schaltung weist eine Speichervorrichtung 200 zur Speicherung von Energie auf. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Speichervorrichtung 200 eine Spule, die die Induktivität L₁ bildet. Die Spule ist beispielsweise auf einem Ferritkern gewickelt. Alternativ könnte die Speichervorrichtung 200 auch ein anderes Speichermittel, beispielsweise einen Kondensator aufweisen.
Die Schaltung weist eine Auswahlvorrichtung 100 auf, die zur Verbindung von einer der Akkumulatorzellen Z₁, Z₂, Z₃ mit der Speichervorrichtung 200 eingerichtet ist. Hierzu weist die Auswahlvorrichtung 100 erste Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 und zweite Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 auf. Jeder erste Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 ist jeweils an einen ersten Anschluss 111-1, 111-2, 111-3, 111-4 angeschlossen, so dass die ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 an Anschlüsse der Akkumulatorzellen Z₁, Z₂, Z₃ angeschlossen sind. Jeder erste Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 ist zudem an einen ersten Knoten KN₁ angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der ersten Knoten KN₁ wiederum an einen speichervorrichtungsseitigen Anschluss 191 angeschlossen, so dass der erste Knoten KN₁ unmittelbar mit einem ersten Anschluss 201 der Speichervorrichtung 200 verbunden ist.
Jeder zweite Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 ist jeweils an einen zweiten Anschluss 121-1, 121-2, 121-3, 121-4 angeschlossen, so dass die zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 an Anschlüsse der Akkumulatorzellen Z₁, Z₂, Z₃ angeschlossen sind. Jeder zweite Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 ist zudem an einen zweiten Knoten KN₂ angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der zweite Knoten KN₂ wiederum an einen speichervorrichtungsseitigen Anschluss 192 angeschlossen, so dass der zweite Knoten KN₂ mit einem zweiten Anschluss 202 der Speichervorrichtung 200 unmittelbar verbunden ist.
Die Schaltung weist eine Steuerungsvorrichtung 300 zur Steuerung einer ersten Auswahl einer ersten Akkumulatorzelle – zum Beispiel der Akkumulatorzelle Z₁ – auf. Die erste Auswahl erfolgt, indem die Steuerungsvorrichtung 300 einen Halbleiterschalter (z. B. 110-1) der ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 und einen Halbleiterschalter (z. B. 120-2) der zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 ansteuert. Die Ansteuerung für die erste Auswahl erfolgt hier, um Energie aus der ersten Akkumulatorzelle Z₁ zu entnehmen und in die Speichervorrichtung 200 abzugeben.
Danach wird von der Steuerungsvorrichtung 300 eine zweite Auswahl getroffen, indem die Steuerungsvorrichtung 300 einen anderen Halbleiterschalter (z. B. 110-3) der ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 und einen anderen Halbleiterschalter (z. B. 120-2) der zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 ansteuert. Die Ansteuerung für die zweite Auswahl erfolgt, um Energie aus der Speichervorrichtung 200 zu entnehmen und in eine andere Akkumulatorzelle (z. B. Z₂) abzugeben. Dies gilt auch vice versa, so dass Ladung der zweiten Akkumulatorzelle Z₂ entnommen, in der Speichervorrichtung 200 zwischengespeichert und in die erste Akkumulatorzelle Z₁ geladen werden kann. Auch jede andere Akkumulatorzelle kann so individuell geladen oder entladen werden.
Um die Akkumulatorzellen Z₁, Z₂, Z₃ zu laden oder zu entladen, ist die Steuerungsvorrichtung 300 eingerichtet, durch eine Ansteuerung der ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 temporär eine geschaltete erste Verbindung zwischen einem ersten Anschluss der ausgewählten ersten Akkumulatorzelle – beispielsweise der Akkumulatorzelle Z₁ – und dem ersten Anschluss 201 der Speichervorrichtung 200 zu steuern. Zudem steuert die Steuerungsvorrichtung zeitgleich durch eine Ansteuerung der zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 eine zweite geschaltete Verbindung zwischen einem zweiten Anschluss der ausgewählten Akkumulatorzelle Z₁ und dem zweiten Anschluss 202 der Speichervorrichtung 200. Hierzu steuert die Steuerungsvorrichtung 300 die Halbleiterschalter 110-1 und 120-2 in einen geschlossen Zustand. Hingegen steuert die Steuerungsvorrichtung 300 die übrigen Halbleiterschalter 110-2, 110-3, 110-4 und 120-1, 120-3, 120-4 zeitgleich in einen geöffneten Zustand.
Dabei ist zu beachten, dass die Induktivität L₁ der Speichervorrichtung 200 nur begrenzt Energie aufnehmen kann, bis ein Magnetfeld aufgebaut ist. Demzufolge ist die Steuerungsvorrichtung 300 eingerichtet, eine Zeitdauer zum Schließen des ersten Halbleiterschalters – hier 110-1 – und des zweiten Halbleiterschalters – hier 120-2 – in Abhängigkeit von einem Induktivitätswert der Induktivität L₁ zu steuern.
Die Steuerungsvorrichtung 300 ist eingerichtet, zum Entladen einer ersten Akkumulatorzelle Z₁ eine erste Zellenspannung U_Z1 der ersten Zelle Z₁ auf den ersten Anschluss 201 und den zweiten Anschluss 202 der Speichervorrichtung 200 zu schalten. Im Ausführungsbeispiel der 2 werden die Halbleiterschalter 110-1 und 120-2 geschlossen, so dass an dem ersten Anschluss 201 der Speichervorrichtung 200 ein höheres Potential und an dem zweiten Anschluss 202 ein niedrigeres Potential anliegt, so dass ein Entladestrom vom ersten Anschluss 201 durch die Induktivität L₁ zum zweiten Anschluss 202 der Speichervorrichtung 200 fließt (technische Stromrichtung).
Soll mit der in der Induktivität L₁ der Speichervorrichtung 200 gespeicherten Energie beispielsweise die zweite Akkumulatorzelle Z₂ geladen werden, muss der durch das magnetische Feld in der Induktivität L₁ erzeugte Strom in der richtigen Richtung durch die zweite Akkumulatorzelle Z₂ fließen. Zum Laden der zweiten Akkumulatorzelle Z₂ ist die Steuerungsvorrichtung 300 eingerichtet, eine zweite Zellenspannung U_Z2 der zweiten Akkumulatorzelle Z₂ mit inverser Polarität auf den ersten Anschluss 201 und den zweiten Anschluss 202 der Speichervorrichtung 200 zu schalten. Im Ausführungsbeispiel der 2 werden die Halbleiterschalter 110-3 und 120-2 geschlossen, so dass der vom Magnetfeld der Induktivität L₁ erzeugte Strom durch den zweiten Anschluss 202 der Speichervorrichtung 200, über den zweiten Knoten KN₂, durch die zweite Akkumulatorzelle Z₂ über den ersten Knoten KN₁ zum ersten Anschluss 201 der Speichervorrichtung 200 fließt (technische Stromrichtung).
Je nach geöffnetem oder geschlossenem Zustand der ersten und zweiten Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 kann über jedem geschlossenen Halbleiterschalter eine Spannung abfallen. Jeder Halbleiterschalter muss demzufolge eine Sperrspannung aufweisen, die jede im Normalbetrieb mögliche abfallende Spannung übersteigt. Dabei ist zu beachten, dass bei Halbleiterschaltern 110-2, 110-3, 120-2, 120-3 für mittlere Akkumulatorzellen Z₂ in der Reihenschaltung positive wie negative Spannungen über demjenigen Halbleiterschalter 110-2, 110-3, 120-2, 120-3 auftreten können.
Die 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterschalters 110-1 bei dem aufgrund der Verschaltung im geschlossenen Zustand in nur einer Richtung eine Spannung abfällt. Demzufolge wird lediglich ein einziger MOS-Feldeffekttransistor benötigt. Dieser Transistor ist beispielsweise als HVMOS-Feldeffekttransistor mit einem Gate G₁, einer Drain D₁ und einer Source S₁ ausgebildet. 2b zeigt hingegen ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterschalters 120-2 bei dem im geschlossenen Zustand Spannungen in beiden Richtungen auftreten können. Demzufolge weist zumindest einer der ersten Halbleiterschalter 110-2, 110-3 und/oder der zweiten Halbleiterschalter 120-2, 120-3 zwei antiseriell verschaltete Feldeffekttransistoren auf. Dabei ist die erste Source S₁ des ersten Feldeffekttransistors M₁ an der zweiten Source S₂ des zweiten Feldeffekttransistors M₂ angeschlossen. Zudem sind das erste Gate G₁ und das zweite Gate G₂ miteinander verbunden. Die erste Drain D₁ ist an den Anschluss 121-2 und die zweite Drain D₂ an den zweiten Knoten KN₂ angeschlossen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 und die zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 zusammen mit der Steuerungsvorrichtung 300 in einem integrierten Schaltkreis monolithisch integriert. Der integrierte Schaltkreis weist mehrere Gehäuseanschlüsse auf, an denen die Akkumulatorzellen und die Speichervorrichtung 200 anschließbar sind. Die ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 und die zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 sind durch Verdrahtungen des Schaltkreises vorzugsweise unmittelbar an den Gehäuseanschlüssen angeschlossen, um die Verlustleistung zu minimieren.
Das Ausführungsbeispiel der 1 weist vor allem die Vorteile auf, dass lediglich eine einzige externe Spule benötigt wird, hingegen sind alle anderen Bauelemente auf einem Halbleiterchip integriert. Hierdurch kann eine besonders kostengünstige Lösung erzielt werden. Zudem weist die Schaltung des Ausführungsbeispiels der 1 einen hohen Wirkungsgrad auf. Jede Zelle kann individuell geladen oder entladen werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist als schematischer Blockschaltplan in der 3 dargestellt. Es sind beispielhaft sechs Akkumulatorzellen Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆ in Reihenschaltung verschaltet. Zusätzlich zum Ausführungsbeispiel der 1 weist die Speichervorrichtung 200 eine zweite Induktivität L₂ auf, die mit einem dritten Anschluss 203 und einem vierten Anschluss 204 der Speichervorrichtung 200 verbunden ist. Die erste Induktivität L₁ und die zweite Induktivität L₂ sind transformatorisch M gekoppelt, indem beispielsweise eine die erste Induktivität L₁ bildende erste Spule und eine die zweite Induktivität L₂ bildende zweite Spule auf demselben magnetischen Leiter gewickelt sind.
Die Auswahlvorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels der 3 weist zusätzlich zu den ersten Halbleiterschaltern 110-1, 110-2, 110-3, 110-4 und den zweiten Halbleiterschaltern 120-1, 120-2, 120-3, 120-4 dritte Halbleiterschalter 130-1, 130-2, 130-3, 130-4 und vierte Halbleiterschalter 140-1, 140-2, 140-3, 140-4 auf. Die dritten Halbleiterschalter 130-1, 130-2, 130-3, 130-4 sind an einen dritten Knoten KN₃ und die vierten Halbleiterschalter 140-1, 140-2, 140-3, 140-4 sind an einen vierten Knoten KN₄ angeschlossen.
Soll im Ausführungsbeispiel der 3 beispielsweise von der ersten Akkumulatorzelle Z₁ Ladung zur vierten Akkumulatorzelle Z₄ transferiert werden, werden durch die Steuerungsvorrichtung 300 zunächst die Halbleiterschalter 110-2 und 120-2 geschlossen, um mittels eines Stromflusses durch die erste Induktivität L₁ der Speichervorrichtung 200 ein Magnetfeld aufzubauen, um die Energie mittels des Magnetfelds zwischenzuspeichern. Durch die transformatorische Kopplung M kann die Energie auch der zweiten Induktivität L₂ entnommen werden und beispielsweise in die vierte Akkumulatorzellen Z₄ geladen werden. Alternativ ist auch eine Entnahme wiederum mittels der ersten Induktivität L₁ möglich.
Zusätzlich zu der im Ausführungsbeispiel der 1 erläuterten ersten und zweiten Verbindung ist die Steuerungsvorrichtung 300 im Ausführungsbeispiel der 3 eingerichtet, durch eine Ansteuerung der dritten Halbleiterschalter 130-1, 130-2, 130-3, 130-4 eine geschaltete dritte Verbindung zwischen einem ersten Anschluss einer zweiten ausgewählten Akkumulatorzelle (hier – Z₄) und dem dritten Anschluss 203 der Speichervorrichtung 200 und durch eine Ansteuerung der vierten Halbleiterschalter 140-1, 140-2, 140-3, 140-4 eine vierte geschaltete Verbindung zwischen einem zweiten Anschluss der zweiten ausgewählten Akkumulatorzelle (hier Z₄) und dem vierten Anschluss 204 der Speichervorrichtung 200 zu steuern.
Ein bevorzugtes drittes Ausführungsbeispiel ist als schematischer Blockschaltplan in 4 dargestellt. Die Auswahlvorrichtung 100 weist erste Halbleiterschalter 110-1, 110-2, zweite Halbleiterschalter 120-1, 120-2, dritte Halbleiterschalter 130-1, 130-2 und vierte Halbleiterschalter 140-1, 140-2 auf. Die ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2 sind an einen ersten Knoten KN₁, die zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2 sind an einen zweiten Knoten KN₂, die dritten Halbleiterschalter 130-1, 130-2 sind an einen dritten Knoten KN₃ und die vierten Halbleiterschalter 140-1, 140-2 sind an einen vierten Knoten KN₄ angeschlossen.
Die Speichervorrichtung 200 weist eine erste Induktivität mit zwei Teilinduktivitäten L₁₂ und L₂₅ auf. Die Teilinduktivität L₁₂ ist an einen ersten Anschluss 201 und an einen zweiten Anschluss 202 der Speichervorrichtung 200 angeschlossen. Die Teilinduktivität L₂₅ ist an den zweiten Anschluss 202 und an einen fünften Anschluss 205 der Speichervorrichtung 200 angeschlossen.
Die Speichervorrichtung 200 weist eine zweite Induktivität mit zwei Teilinduktivitäten L₃₄ und L₄₆ auf. Die Teilinduktivität L₃₄ ist an einen dritten Anschluss 203 und an einen vierten Anschluss 204 der Speichervorrichtung 200 angeschlossen. Die Teilinduktivität L₄₅ ist an den vierten Anschluss 204 und an einen sechsten Anschluss 206 der Speichervorrichtung 200 angeschlossen.
Die erste Induktivität und die zweite Induktivität sind transformatorisch M gekoppelt. Durch die zwei Teilinduktivitäten L₁₂ und L₂₅ der ersten Induktivität und die zwei Teilinduktivitäten L₃₄ und L₄₆ der zweiten Induktivität kann in beiden Richtungen ein Übersetzungsverhältnis ungleich eins – beispielsweise 1:1,3 – erzeugt werden. Durch eine ausgangsseitige Reihenschaltung der jeweiligen zwei Teilinduktivitäten – z. B. L₃₄ und L₄₆ – kann zum Laden der ausgewählten Akkumulatorzelle – z. B. Z₄ – demzufolge eine höhere Ausgangsspannung ausgegeben werden.
Eine Steuerungsvorrichtung 300 ist zur Steuerung einer ersten Auswahl einer ersten Akkumulatorzelle – beispielsweise Z₂ – vorgesehen. Dabei wird Energie aus der ersten Akkumulatorzelle Z₂ entnommen und in die Speichervorrichtung 200 abgegeben. Die in der Speichervorrichtung 200 gespeicherte Energie wird durch Auswahl einer zweiten Akkumulatorzelle – beispielsweise Z₅ in die zweite Akkumulatorzelle Z₅ gespeist.
Vice versa kann aus der zweiten Akkumulatorzelle Z₅ Energie entnommen und in der Speichervorrichtung 200 zwischengespeichert werden. Dabei ist die Steuerungsvorrichtung 300 wiederum zur Steuerung der ersten Auswahl der ersten Akkumulatorzelle Z₂ eingerichtet, um Energie aus der Speichervorrichtung 200 zu entnehmen und in die erste Akkumulatorzelle Z₂ abzugeben.
Die Auswahl der ersten Akkumulatorzelle Z₁, Z₂ oder Z₃ bzw. der zweiten Akkumulatorzelle Z₄, Z₅ oder Z₆ wird durch die Steuerungsvorrichtung 300 gesteuert. Die Steuerungsvorrichtung 300 ist eingerichtet, durch eine Ansteuerung der ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2 eine geschaltete erste Verbindung und durch eine Ansteuerung der zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2 eine geschaltete zweite Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der ausgewählten erste Akkumulatorzelle Z₁, Z₂ oder Z₃ und den zwei Anschlüssen 201, 202 der Speichervorrichtung 200 zu steuern. Dabei wird beispielsweise die ausgewählte erste Akkumulatorzelle – z. B. Z₃ – entladen.
Die Auswahlvorrichtung 100 weist eine erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 150 mit Halbleiterschalter 151-1, 152-1, 151-2, 152-2, 151-3 und 152-3 auf, die an den ersten Knoten KN₁ und an den zweiten Knoten KN₂ und damit an die ersten Halbleiterschalter 110-1, 110-2 und an die zweiten Halbleiterschalter 120-1, 120-2 angeschlossen ist. Der Steueranschluss 159 der ersten Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 150 ist mit der Steuerungsvorrichtung 300 verbunden. Mittels eines periodischen Steuersignals S_P15 wird die erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 150 durch die Steuerungsvorrichtung 300 gesteuert. Mittels des periodischen Steuersignals S_P15 werden in einem ersten Teil der Periode die Halbleiterschalter 151-2 und 152-3 und in einem zweiten Teil der Periode die Halbleiterschalter 152-2 und 151-3 geschlossen. Hingegen werden die Halbleiterschalter 151-1 und 152-1 währenddessen in einen geöffneten Zustand gesteuert. Somit liegt an der Teilinduktivität 112 der ersten Induktivität der Speichervorrichtung 200 eine Wechselspannung an, die einen Wechselstrom durch die Teilinduktivität L₁₂ bewirkt. Der Wechselstrom durch die Teilinduktivität L₁₂ erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, dass in der zweiten Induktivität der Speichervorrichtung 200, also in den Teilinduktivitäten L₃₄ und L₄₆ eine Spannung induziert.
Die Auswahlvorrichtung 100 weist dritte Halbleiterschalter 130-1, 130-2 und vierte Halbleiterschalter 140-1, 140-2 auf. Die Steuerungsvorrichtung 300 ist zur Steuerung der dritten Halbleiterschalter 130-1, 130-2 und vierten Halbleiterschalter 140-1, 140-2 eingerichtet. Die Steuerungsvorrichtung 300 ist eingerichtet, durch eine Ansteuerung der dritten Halbleiterschalter 130-1, 130-2 eine geschaltete dritte Verbindung und durch eine Ansteuerung der vierten Halbleiterschalter 140-1, 140-2 eine vierte geschaltete Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der zweiten ausgewählten Akkumulatorzelle – z. B. Z₅ – und den weiteren zwei Anschlüssen 203, 206 der Speichervorrichtung 200 zu steuern.
An der Reihenschaltung der Teilinduktivitäten L₃₄ und L₄₆ der zweiten Induktivität der Speichervorrichtung 200 liegt eine induzierte Wechselspannung an, die einen Wechselstrom durch die Teilinduktivitäten L₃₄ und L₄₆ bewirkt. Die Auswahlvorrichtung 100 weist eine zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 160 mit Halbleiterschalter 161-1, 162-1, 161-2, 162-2, 161-3 und 162-3 auf, die an den dritten Knoten KN₃ und an den vierten Knoten KN₄ und damit an die dritten Halbleiterschalter 130-1, 130-2 und an die vierten Halbleiterschalter 140-1, 140-2 angeschlossen ist. Die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 160 kann als Synchrongleichrichter fungieren. Der Steueranschluss 169 der zweiten Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 160 ist mit der Steuerungsvorrichtung 300 verbunden. Mittels eines zweiten periodischen Steuersignals S_P16 wird die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 160 durch die Steuerungsvorrichtung 300 gesteuert. Mittels des zweiten periodischen Steuersignals S_P16 werden in einer ersten Teilperiode die Halbleiterschalter 161-1 und 162-3 und in einem zweiten Teilperiode die Halbleiterschalter 162-1 und 161-3 geschlossen. Hingegen werden die Halbleiterschalter 161-2 und 162-2 währenddessen in einen geöffneten Zustand gesteuert. Durch die Steuerung der Halbleiterschalter 161-1, 161-3 und 162-1, 162-3 wird der Wechselstrom gleichgerichtet und fließt als Gleichstrom über den dritten Knoten KN₃, die zweite ausgewählte Akkumulatorzelle – z. B. Z₅ – und über den vierten Knoten KN₄ zurück (technische Stromrichtung).
Die Steuerungsvorrichtung 300 ist daher eingerichtet, zeitgleich die erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 150 als Wechselrichter und die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 160 als Synchrongleichrichter mittels der periodischen Steuersignale S_P15, S_P16 zu steuern. Natürlich ist auch eine umgekehrte Steuerung möglich, indem die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 160 als Wechselrichter und die erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung 150 als Synchrongleichrichter mittels der periodischen Steuersignale S_P15, S_P16 gesteuert wird. Vorteilhafterweise ist die Steuerungsvorrichtung 300 zudem eingerichtet, durch die Steuerung des Tastverhältnisses des periodischen Steuersignals S_P15, S_P16 eine Stromstärke des Entladungsstroms oder Ladestroms einzustellen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1 bis 4 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, eine größere oder kleinere Anzahl von Akkumulatorzellen vorzusehen, wobei die Anzahl der ersten, zweiten, dritten und vierten Halbleiterschalter der Auswahlvorrichtung entsprechend an die Zahl der Akkumulatorzellen anzupassen ist. Bevorzugt wird die Schaltung gemäß 4 für ein Kraftfahrzeug (Elektroauto) verwendet.
Bezugszeichenliste

100: Auswahlvorrichtung
101, 111-1, 111-2, 121-1, 121-2, 121-3, 121-4, 131-1, 131-2, 131-3, 131-4, 141-1, 141-2, 141-3, 141-4, 159, 169, 191, 192, 193, 194, 195, 196, 201, 202, 203, 204, 205, 206: Anschluss
110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 120-1, 120-2, 120-3, 120-4, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 140-1, 140-2, 140-3, 140-4, 151-1, 151-2, 151-3, 152-1, 152-2, 152-3, 161-1, 161-2, 161-3, 162-1, 162-2, 162-3: Halbleiterschalter
150, 160: Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung
200: Speichervorrichtung
300: Steuerungsvorrichtung
D₁, D₂: Drain
G₁, G₂: Gate
KN₁, KN₂, KN₃, KN₄: Knoten
L₁, L₂, L₁₂, L₂₅, L₃₄, L₄₆: Induktivität
M: transformatorische Kopplung
M₁, M₂: Feldeffekttransistoren
S₁, S₂: Source
St, S_P15, S_P16: Steuersignal
U_Z1, U_Z2, U_Z3, U_Z4, U_Z5, U_Z6: Zellenspannung
Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆: Akkumulatorzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„DYNAMIC EQUALIZATION TECHNIQUES FOR SERIES BATTERY STACKS”, N. H. Kutkut, IEEE, 1996 [0002]
„Cell balancing buys extra run time and battery life”, S. Wen, Texas Instruments Incorporated, Analog Applications Journal, 1Q/2009 [0005]
„A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Lithium Ion Battery Stacks”, C. Bonfiglio und W. Rössler, IEEE, 2009 [0006]

Claims

Schaltung zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆), – mit einer Speichervorrichtung (200) zur Speicherung von Energie, – mit einer Auswahlvorrichtung (100), die zur Verbindung von einer der Akkumulatorzellen (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆) mit der Speichervorrichtung (200) eingerichtet ist, – bei der die Auswahlvorrichtung (100) erste Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und zweite Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) aufweist, – bei der die ersten Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und die zweiten Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) mit Anschlüssen der Akkumulatorzellen (Z₁, Z₂, Z₃) und mit zwei Anschlüssen (201, 202) der Speichervorrichtung (200) verbindbar sind, – mit einer Steuerungsvorrichtung (300) zur Steuerung einer ersten Auswahl einer ersten Akkumulatorzelle (Z₁, Z₂, Z₃) der Akkumulatorzellen (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆), – bei der die Steuerungsvorrichtung (300) eingerichtet ist, durch eine Ansteuerung der ersten Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) eine geschaltete erste Verbindung und durch eine Ansteuerung der zweiten Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) eine zweite geschaltete Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der ausgewählten Akkumulatorzelle (Z₁, Z₂, Z₃) und den zwei Anschlüssen (201, 202) der Speichervorrichtung (200) zu steuern.
Schaltung nach Anspruch 1, – bei der die Auswahlvorrichtung (100) einen ersten Knoten (KN₁) und einen zweiten Knoten (KN₂) aufweist, – bei der die ersten Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) an den ersten Knoten (KN₁) angeschlossen sind, und – bei der die zweiten Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) an den zweiten Knoten (KN₂) angeschlossen sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der Speichervorrichtung (200) zumindest eine Induktivität (L₁, L₂, L₁₂, L₂₃, L₄₅, L₅₆) aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Steuerungsvorrichtung (300) eingerichtet ist, eine Zeitdauer zum Schließen eines Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und eines Halbleiterschalters der zweiten Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) insbesondere in Abhängigkeit von einem Induktivitätswert der zumindest einen Induktivität (L₁, L₂, L₁₂, L₂₃, L₄₅, L₅₆) zu steuern.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Steuerungsvorrichtung (300) mittels Ansteuerung der ersten Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und der zweiten Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) eingerichtet ist, zum Entladen einer ersten Akkumulatorzelle (Z₁) eine erste Zellenspannung (U_Z1) der ersten Zelle (Z₁) auf die zwei Anschlüsse (201, 202) der Speichervorrichtung (200) zu schalten und zum Laden einer zweiten Akkumulatorzelle (Z₂) eine zweite Zellenspannung (U_Z2) der zweiten Zelle (Z₂) mit inverser Polarität auf die zwei Anschlüsse (201, 202) der Speichervorrichtung (200) zu schalten.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Speichervorrichtung (200) zumindest eine erste Induktivität (L₁, L₁₂, L₂₃) und eine zweite Induktivität (L₂, L₄₅, L₅₆) aufweist, und – bei der die erste Induktivität (L₁, L₁₂, L₂₃) und die zweite Induktivität (L₂, L₄₅, L₅₆) transformatorisch (M) gekoppelt sind.
Schaltung nach Anspruch 6, – bei der die erste Induktivität (L₁, L₁₂, L₂₅) an die zwei Anschlüsse (201, 202) der Speichervorrichtung (200) angeschlossen ist, – bei der die Speichervorrichtung (200) zwei weitere Anschlüsse (203, 204) aufweist, an die die zweite Induktivität (L₂, L₃₄, L₄₆) angeschlossen ist, – bei der die Auswahlvorrichtung (100) dritte Halbleiterschalter (130-1, 130-2, 130-3, 130-4) und vierte Halbleiterschalter (140-1, 140-2, 140-3, 140-4) aufweist, – bei der die Steuerungsvorrichtung (300) eingerichtet ist, durch eine Ansteuerung der dritten Halbleiterschalter (130-1, 130-2, 130-3, 130-4) eine geschaltete dritte Verbindung und durch eine Ansteuerung der vierten Halbleiterschalter (140-1, 140-2, 140-3, 140-4) eine vierte geschaltete Verbindung zwischen beiden Anschlüssen einer zweiten ausgewählten Akkumulatorzelle (Z₄, Z₅, Z₆) und den weiteren zwei Anschlüssen (203, 204) der Speichervorrichtung (200) zu steuern.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Auswahlvorrichtung (100) zumindest eine Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung (150, 160) aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die Speichervorrichtung (200) zumindest eine erste Induktivität (L₁₂, L₂₃) und eine zweite Induktivität (L₄₅, L₅₆) aufweist, und – bei der die erste Induktivität (L₁₂, L₂₃) und die zweite Induktivität (L₄₅, L₅₆) transformatorisch (M) gekoppelt sind, – bei der die Auswahlvorrichtung (100) eine erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung (150) aufweist, die mit der ersten Induktivität (L₁₂, L₂₃) verbindbar ist, – bei der die Auswahlvorrichtung (100) eine zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung (160) aufweist, die mit der zweiten Induktivität (L₄₅, L₅₆) verbindbar ist, – bei der die Steuerungsvorrichtung (300) eingerichtet ist, zeitgleich die erste Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung (150) als Wechselrichter und die zweite Wechselrichter-Synchrongleichrichter-Vorrichtung (160) als Synchrongleichrichter zu steuern.
Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆), – bei dem mittels einer Steuerungsvorrichtung (300) eine Zellenspannung (U_Z1, U_Z2, U_Z3, U_Z4, U_Z5, U_Z6) der Akkumulatorzellen (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆) bestimmt wird, – bei dem mittels der Steuerungsvorrichtung (300) eine erste Akkumulatorzelle (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆) der Akkumulatorzellen (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆) zur Entladung oder Ladung bestimmt wird, – bei dem erste Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und zweite Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) zur Auswahl der bestimmten ersten Akkumulatorzelle (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆) von der Steuerungsvorrichtung (300) angesteuert werden, – bei dem die ersten Halbleiterschalter (110-1, 110-2, 110-3, 110-4) und die zweiten Halbleiterschalter (120-1, 120-2, 120-3, 120-4) von der Steuerungsvorrichtung (300) angesteuert werden, eine erste Verbindung und eine zweite Verbindung zwischen beiden Anschlüssen der ausgewählten ersten Akkumulatorzelle (Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅, Z₆) und zwei Anschlüssen (201, 202) einer Speichervorrichtung (200) zu schalten.