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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Ladens von elektrischen Energiespeichern. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laden einer Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers unter Verwendung einer hier vorgestellten Schaltungsanordnung sowie eine Steuerungseinrichtung zum Ansteuern einer derartigen Schaltungsanordnung.
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Lithium Ionen Zellen (insbesondere sog. Lithium-Polymerzellen) zählen zu den Typen von elektrischen Energiespeichern mit einer besonders hohen Energiedichte, so dass diese Art von Energiespeicherzellen in den letzten Jahren eine sehr vielfältige Verwendung gefunden hat. Ein in Zukunft besonders bedeutender Verwendungsbereich sind Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, welche ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden.
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Aufgrund vielfacher Erfahrungen nach Unfällen, die auf ein unsachgemäßes Laden dieser Art von elektrischen Energiespeichern (auch Akkumulatoren genannt) zurückgeführt werden konnten, hat man erkannt, dass eine ausgereifte und zuverlässige Ladetechnik für eine hohe Betriebssicherheit von elektrischen Energiespeichern von großer Bedeutung ist.
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Typischerweise besteht ein Lithium Ionen Energiespeicher nicht nur aus einer sondern aus einer Mehrzahl von einzelnen Lithium Ionen Energiespeicherzellen, die durch eine entsprechende elektrische Verdrahtung seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Eine serielle Schaltung von mehreren Energiespeicherzellen ergibt dabei eine erhöhte Spannung, da sich entsprechend den Gesetzen der Elektrizitätslehre die einzelnen Zellspannungen addieren. Eine parallele Schaltung von mehreren Energiespeicherzellen kann im Vergleich zu einer einzelnen Energiespeicherzelle einen höheren Strom bereitstellen.
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Um eine lange Lebensdauer eines aus mehreren Energiespeicherzellen bestehenden Energiespeichers zu gewährleisten, ist es erforderlich, den Ladungs- bzw. Entladungszustand der einzelnen Energiespeicherzellen möglichst in jedem Betriebszustand aneinander anzugleichen. Die Erreichung dieses Ziels gewinnt besonders an Gewicht in dem Maße wie neue Typen von Energiespeichern mit steigender Energiespeicherdichte auch höhere Sicherheitsanforderungen stellen.
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Die Angleichung des Ladungs- bzw. Entladungszustandes von den einzelnen Energiespeicherzellen eines Energiespeichers erfolgt üblicherweise mittels einer geeigneten elektronischen Überwachungs- und Ladeschaltung.
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3 zeigt eine Schaltungsanordnung 300, welche ein ideales Ladekonzept für einen Verbund aus mehreren seriell geschalteten Energiespeicherzellen 391, 392, 393, 395 verwirklicht. Wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, kann die Schaltungsanordnung für eine beliebige Anzahl von Energiespeicherzellen erweitert werden.
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Die Schaltungsanordnung 300 weist für jede Energiespeicherzelle 391, 392, 393 und 395 jeweils eine Spannungsquelle 311, 312, 313 oder 315 sowie jeweils einen Vorwiderstand 321, 322, 323 oder 325 mit jeweils einem Widerstand Rv auf. Durch die Verwendung von jeweils einer Spannungsquelle und jeweils einem Vorwiderstand für eine Energiespeicherzelle kann durch eine vergleichsweise einfach aufgebaute Schaltungsanordnung gewährleistet werden, dass nach einer vollständigen Aufladung jede Energiespeicherzelle einen identischen Ladeendzustand erreicht. Der Wert Rv des Vorwiderstandes begrenzt dabei den anfänglichen Ladestrom.
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Eine technische Realisierung des in 3 illustrierten idealen Ladekonzepts erfordert jedoch sehr hohen schaltungstechnischen Aufwand, der in der Praxis regelmäßig vermieden wird, so dass dieses Ladekonzept nicht angewendet wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladekonzept für einen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von einzelnen Energiespeicherzellen zu entwickeln, welches mit einfachen und preiswerten elektrischen Bausteinen realisiert werden kann und welches trotzdem ermöglicht, dass alle Energiespeicherzellen auf ein einheitliches Ladeniveau aufgeladen werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines elektrischen Energiespeichers für ein Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug, beschrieben. Die beschriebene Schaltungsanordnung weist auf (a) eine elektrische Energiequelle, (b) eine erste elektrische Halbbrückenschaltung, welche mit der elektrischen Energiequelle gekoppelt ist, (c) eine erste Ladungspumpe, welche der ersten elektrischen Halbbrückenschaltung zugeordnet ist, (d) eine zweite elektrische Halbbrückenschaltung, welche mit der elektrischen Energiequelle gekoppelt ist, (e) eine zweite Ladungspumpe, welche der zweiten elektrischen Halbbrückenschaltung zugeordnet ist, (f) einen ersten Ladeanschluss zum Anschließen eines ersten Anschlusskontakts einer ersten Energiespeicherzelle, wobei der erste Ladeanschluss mit einem negativen Ausgang der zweiten Ladungspumpe gekoppelt ist, (g) einen zweiten Ladeanschluss zum Anschließen eines zweiten Anschlusskontakts der ersten Energiespeicherzelle, wobei der zweite Ladeanschluss mit einem positiven Ausgang der ersten Ladungspumpe und einem positiven Ausgang der zweiten Ladungspumpe gekoppelt ist, und (h) eine Schalteinrichtung, welche konfiguriert ist, die beiden Halbbrückenschaltungen in synchroner Weise derart anzusteuern, dass die erste Ladungspumpe gegenphasig zu der zweiten Ladungspumpe arbeitet.
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Der beschriebenen Schaltungsanordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch zwei gegenphasig betriebene Ladungspumpen auf einfache Weise eine genau definierte Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ladeanschlüssen eingestellt werden kann, welche sich zum Laden von mehrzelligen elektrischen Energiespeicherzellen eignet.
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Unter dem Begriff "Ladungspumpe" kann dabei jede beliebige elektrische bzw. elektronische Schaltung verstanden werden, welche einen elektrischen Ladungstransport in Folge von periodischen Kondensatorumladungen gewährleistet.
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Die elektrische Energiequelle kann insbesondere eine Spannungsquelle sein.
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Die Schalteinrichtung kann eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweisen, welche beispielsweise mittels aktiv gesteuerter Transistoren, insbesondere Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren realisiert sein können. Schaltfrequenzen können beispielsweise im Bereich von 10 kHz bis zu einem MHz liegen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die erste Ladungspumpe einen ersten Kondensator und ein erstes Diodenpaar auf und/oder die zweite Ladungspumpe weist einen zweiten Kondensator und ein zweites Diodenpaar auf. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Ladungspumpen mit einfachen diskreten Bauelementen realisiert werden können. Die Realisierung der beschriebenen Schaltungsanordnung kann ohne aufwendige digitale Elektronikbausteine mit einem einfachen analogen Schaltungskonzept vorgenommen werden. Die beiden Diodenpaare, welche jeweils zwei seriell gekoppelte Dioden mit einem zentralen Mittenanschluss sein können, können bevorzugt mittels einer sog.
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Doppeldiode realisiert werden. Ihre Verwendung erleichtert und vereinfacht zusätzlich das Schaltungsaufkommen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schaltungsanordnung ferner auf (a) eine dritte Ladungspumpe, welche der ersten Halbbrückenschaltung zugeordnet ist, (b) eine vierte Ladungspumpe, welche der zweiten Halbbrückenschaltung zugeordnet ist, und(c) einen dritten Ladeanschluss zum Anschließen eines zweiten Anschlusskontakts einer zweiten Energiespeicherzelle, welche mit einem ersten Anschlusskontakt an dem zweiten Ladeanschluss angeschlossen ist, wobei der dritte Ladeanschluss mit einem positiven Ausgang der dritten Ladungspumpe und mit einem positiven Ausgang der vierten Ladungspumpe gekoppelt ist.
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Durch die um die dritte und vierte Ladungspumpe sowie um den dritten Ladeanschluss erweiterte Schaltungsanordnung können zwei einzelne Energiespeicherzellen unabhängig von ihrer unterschiedlichen Ausgangslage (verschiedener Ladewiderstand, unterschiedlicher Innenwiderstand, verschiedene Kapazitäten etc.) auf einfache Weise und unter Verwendung von lediglich einer einzigen gemeinsamen Spannungsquelle auf ein einheitliche Spannungsniveau aufgeladen werden.
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Bei der hier beschriebenen (erweiterten) Schaltungsanordnung kann jede einzelne Energiespeicherzelle mit einer einzigen definierten Spannungsquelle mit einem festen Innenwiderstand auf ein vorgegebenes, einheitliches Ladeniveau aufgeladen werden. Analog zum Ladezustand stellt sich bis zum Erreichen der Zellladeschlussspannung an jeder Energiespeicherzelle zeitlich jeweils ein exponentiell abnehmender Stromverlauf ein. Die Ladecharakteristik für jede einzelne Energiespeicherzelle eines seriellen Zellenverbundes des aufzuladenden Energiespeichers entspricht damit der eines Netzgerätes mit einer sog. Konstantspannungsregelung mit einem strombegrenzenden Innenwiderstand. Die Einstellung der Ladeendspannung sämtlicher Energiespeicherzellen erfolgt gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Festlegung des Spannungspegels der einzigen und gemeinsamen Spannungsquelle.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die (einzige) Spannungsquelle der hier beschriebenen (erweiterten) Schaltungsanordnung einen Spannungspegel haben kann, der deutlich kleiner ist als die Gesamtspannung des mehrere einzelne Energiespeicherzellen aufweisenden Energiespeichers. Bei identischen in Serie geschalteten Energiespeicherzellen muss der Spannungspegel nur geringfügig höher sein als der Spannungspegel einer einzelnen Zelle. Im Gegensatz zu bekannten Ladekonzepten ist es also nicht erforderlich, dass zum Laden eines Energiespeichers mit n in Serie geschalteten einzelnen Energiespeicherzellen eine Spannung bereitgestellt werden muss, deren Pegel zumindest geringfügig höher ist als n mal die Zellspannung jeder einzelner Energiespeicherzelle. Durch die Möglichkeit die beschriebene (erweiterte) Schaltungsanordnung mit einer einzigen Spannungsquelle mit einem Spannungspegel, der lediglich geringfügig größer ist als die Zellspannung einer einzelnen Energiespeicherzelle, zu betreiben, können somit auch Energiequellen im Niedrigspannungsbereich verwendet werden, so dass die Vielseitigkeit der Anwendung der beschriebenen (erweiterten) Schaltungsanordnung besonders hoch ist.
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Mit der hier beschriebenen (erweiterten) Schaltungsanordnung kann immer eine optimale Ladung des Energiespeichers unter Berücksichtigung jeder einzelnen Energiespeicherzelle gewährleistet werden. Ferner ist eine aufwendige Temperaturüberwachung jeder Energiespeicherzelle nicht erforderlich. Durch die Wahl des Innenwiderstands der gemeinsamen Spannungsquelle kann die Ladeleistung auf einfache und effektive Weise eingestellt werden. Die Einstellung der Ladeschlussspannung kann einfach über die einzige gemeinsame Spannungsquelle erfolgen.
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Durch die Verwendung von jeweils einem Paar von Ladungspumpen für eine Energiespeicherzelle, wobei die beiden Ladungspumpen des Ladungspumpenpaares gegenphasig angeordnet bzw. angesteuert werden, können auf einfache Weise unerwünschte Querströme zwischen verschiedenen Energiespeicherzellen ausgeschlossen werden. Eine Strombelastung von benachbarten Energiespeicherzellen kann durch den gegenphasigen Betrieb der Ladungspumpen zuverlässig vermieden werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene erweiterte Schaltungsanordnung mit einer Spannungsquelle, insgesamt vier Ladungspumpen und drei Ladeanschlüssen um jeweils zwei weitere Ladungspumpen und einen weiteren Ladeanschluss erweitert werden kann, so dass gleichzeitig drei oder mehr Energiespeicherzellen aufgeladen werden können. Für jede weitere Energiespeicherzelle, die mit der Schaltungsanordnung aufgeladen werden soll, muss diese um jeweils zwei Ladungspumpen und einen Ladeanschluss erweitert werden. Dabei ist eine der beiden zusätzlichen Ladungspumpen der ersten elektrischen Halbbrückenschaltung und die andere der beiden zusätzlichen Ladungspumpen der zweiten elektrischen Halbbrückenschaltung zugeordnet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die dritte Ladungspumpe einen dritten Kondensator und ein drittes Diodenpaar auf und/oder die vierte Ladungspumpe weist einen vierten Kondensator und ein viertes Diodenpaar auf. Dies hat den Vorteil, dass auch die beiden weiteren Ladungspumpen mit einheitlichen, einfachen elektronischen Bauelementen realisiert werden können. Die beschriebene Schaltungsanordnung kann demzufolge mit einem schaltungstechnischen Design realisiert werden, welches konstruktiv besonders einfach ist und ausschließlich diskrete elektronische Bauteile erfordert.
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Aufgrund der Verwendung von einfachen elektronischen Standardkomponenten kann die beschriebene Schaltungsanordnung auf besonders kostengünstige Weise technisch realisiert werden. Außerdem kann die Schaltungsanordnung auf einfache Weise für eine variable Anzahl von Energiespeicherzellen ausgelegt werden. Zur Realisierung der beschriebenen Schaltungsanordnung ist weder ein Prozessor noch eine Software bzw. deren Programmierung erforderlich.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die erste Ladungspumpe und die dritte Ladungspumpe von der elektrischen Energiequelle ausschließlich über die Schalteinrichtung und/oder die erste Halbbrückenschaltung mit elektrischer Energie versorgt und die zweite Ladungspumpe und die vierte Ladungspumpe werden von der elektrischen Energiequelle ausschließlich über die Schalteinrichtung und/oder die zweite Halbbrückenschaltung mit elektrischer Energie versorgt. Damit ist jede einzelne Ladungspumpe ausschließlich einer der beiden Halbbrückenschaltungen zugeordnet, so dass die Schaltungsanordnung in einem einfachen Layout realisiert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet die Schalteinrichtung eine erste Halbbrückenschaltung, die zusammen mit der elektrischen Energiequelle funktional einem ersten Rechteckgenerator entspricht und die Schalteinrichtung bildet eine zweite Halbbrückenschaltung, die zusammen mit der elektrischen Energiequelle funktional einem zweiten Rechteckgenerator entspricht.
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Unter dem Begriff "Rechteckgenerator" kann in diesem Zusammenhang eine elektronische Schaltung verstanden werden, welche in der Lage ist, als Funktion der Zeit einen rechteckigen Spannungsverlauf auszugeben, bei dem die Ausgangsspannung immer nur einen von zwei diskreten Spannungspegeln annimmt. Dabei kann ein Spannungspegel Null und der andere Spannungspegel ein beliebiger vorgegebener positiver Spannungswert sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elektrische Energiequelle eine konstante Ausgangsspannung bereitstellende Spannungsquelle. Dies hat den Vorteil, dass zur Realisierung der gesamten Ladeschaltung nur auf eine einzige Versorgungsspannung zurückgegriffen werden muss.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Spannungsquelle derart konfiguriert, dass der Pegel der Ausgangsspannung einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Endladezustand für alle Typen von Energiespeicherzellen je nach speziellem Anwendungsfall einfach durch eine geeignete Justierung des Pegels der Ausgangsspannung adaptierbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laden einer Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines elektrischen Energiespeichers für ein Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug, unter Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche angegeben. Dieses Verfahren weist auf (a) ein Anschließen des ersten Anschlusskontakts einer ersten Energiespeicherzelle an den ersten Ladeanschluss, (b) ein Anschließen eines zweiten Anschlusskontakts der ersten Energiespeicherzelle an den zweiten Ladeanschluss und (c) ein Betreiben der beiden Halbbrückenschaltungen, so dass die erste Ladungspumpe synchron und gegenphasig zu der zweiten Ladungspumpe arbeitet.
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Dem beschrieben Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben beschriebene einfach aufgebaute Schaltungsanordnung auf vorteilhafte Weise dazu verwendet werden kann, einen Energiespeicher mit zumindest zwei Energiespeicherzellen auf einen vorgegebenen Ladezustand aufzuladen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein elektrischer Energiespeicher mit zumindest zwei Energiespeicherzellen aufgeladen. Dabei werden jeweils zwei Ladungspumpen paarweise parallel betrieben, um eine der Energiespeicherzellen zu laden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuerungseinrichtung für eine Schalteinrichtung des oben beschriebenen Typs beschrieben. Erfindungsgemäß ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, die Schalteinrichtung derart anzusteuern, dass das oben beschriebene Verfahren zum Laden einer Energiespeicherzelle ausführbar ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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1a zeigt ein ideales Ladekonzept für eine Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers.
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1b zeigt eine schematische Darstellung der Realisierung des in 1a gezeigten idealen Ladekonzepts mittels einer Schaltungsanordnung, welche zwei Rechteckgeneratoren und zwei gegenseitig arbeitende Halbbrücken aufweist, die jeweils eine Ladungspumpe aufweisen.
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1c zeigt eine konkrete Realisierung der in 1b gezeigten Schaltungsanordnung u. a. mittels einer vier Schalter aufweisenden Schalteinrichtung.
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2a zeigt ein ideales Ladekonzept für mehrere seriell geschaltete Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers.
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2b zeigt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schaltungsanordnung, mit der das in
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2a gezeigte ideale Ladekonzept für mehrere seriell geschaltete Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers auf apparativ einfache Weise realisiert ist.
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3 zeigt eine Schaltungsanordnung, welche ein ideales Ladekonzept für einen Verbund aus mehreren seriell geschalteten Energiespeicherzellen verwirklicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in ihrer ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheiden. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1a zeigt ein ideales Ladekonzept für eine Energiespeicherzelle 191 eines elektrischen Energiespeichers. Das ideale Ladekonzept ist mittels einer Schaltungsanordnung 100a realisiert, welche eine Spannungsquelle 111, die eine vorgegebene zeitlich konstante Spannung Uz bereit stellt, und einen Vorwiderstand 121 aufweist, welcher eine Widerstandswert Rv hat. Wird die Energiespeicherzelle 191 an die beiden einzig freien Enden der Schaltungsanordnung 100a angeschlossen, dann fließt ein Ladestrom, dessen anfänglicher Strompegel von dem Widerstandswert Rv abhängt. Bei voll aufgeladener Energiespeicherzelle 191 kommt der Ladestrom zum Erliegen und wird Null.
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1b zeigt eine schematische Darstellung der Realisierung des in 1a gezeigten idealen Ladekonzepts mittels einer Schaltungsanordnung 100b. Die Schaltungsanordnung 100b weist zwei Rechteckgeneratoren 132 und 137 und zwei Ladungspumpen 131 und 136 auf. Die Ladungspumpe 131 wird von dem Rechteckgenerator 132 mit elektrischer Energie versorgt und die Ladungspumpe 136 wird von dem Rechteckgenerator 137 mit elektrischer Energie versorgt.
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Wie aus 1b ersichtlich, weist die erste Ladungspumpe 131 einen Kondensator 133 und zwei in Serie geschaltete Dioden 134a und 134b auf. Entsprechend weist die zweite Ladungspumpe 136 einen Kondensator 138 und zwei in Serie geschaltete Dioden 139a und 139b auf. Die zweite Ladungspumpe 136 transferiert elektrische Ladung zu einem ersten Ladeanschluss 171 und die erste Ladungspumpe transferiert elektrische Ladung zu einem zweiten Ladeanschluss 172. An die beiden Ladungsanschlüsse 171 und 172 ist die aufzuladende Energiespeicherzelle 191 anschließbar.
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Wie aus 1b ersichtlich, ist jede der beiden Ladungspumpen 131 und 136 jeweils einer elektrischen Halbbrücke oder Halbbrückenschaltung der Schaltungsanordnung 100b zugeordnet. Dadurch arbeiten die beiden Ladungspumpen 131 und 136 zueinander synchron und gegenphasig.
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1c zeigt eine Schaltungsanordnung 100c, welche eine konkrete Realisierung der in 1b gezeigten Schaltungsanordnung 100b darstellt. Wie aus einem Vergleich der beiden 1c und 1b ersichtlich, sind die beiden Rechteckgeneratoren durch (a) eine Spannungsquelle 110 und durch eine der eine Spannungsquelle 110 nachgeschalteten Schalteinrichtung realisiert, welche vier Schalter S1, S2, S3 und S4 aufweist. Im Vergleich zu der Spannungsquelle 111 des idealen Ladekonzepts, welche Spannungsquelle 111 eine Spannung Uz bereitstellt (siehe 1a), stellt die Spannungsquelle 110 eine Spannung Uz* bereit, welche um Zwei mal die Diodendurchlassspannung Ud der Dioden 134a, 134b, 139a, 139b größer ist als die Spannung Uz (Uz* = Uz + 2 × Ud).
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2a zeigt eine Schaltungsanordnung 200a, welche ein ideales Ladekonzept für drei seriell geschaltete Energiespeicherzellen 291, 292 und 293 eines elektrischen Energiespeichers darstellt. Die Schaltungsanordnung 200a stellt eine logische Erweiterung der in 1a dargestellten Schaltungsanordnung 100a dar und kann bei Bedarf weiter erweitert werden, so dass gleichzeitig vier oder mehr Energiespeicherzellen aufgeladen werden können.
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Die Schaltungsanordnung 200a weist drei in Serie geschaltete Spannungsquellen 211, 212 und 213 auf, die jeweils eine Spannung Uz bereit stellen. Die Schaltungsanordnung 200a weist ferner drei Vorwiderstände 221, 222 und 223 mit jeweils einem Widerstandwert Rv auf. Wie aus 2a ersichtlich, stellt ein Kontakt der Spannungsquelle 211 einen ersten Ladeanschluss 271 dar. Ein zweiter Ladeanschluss 272 befindet sich an dem Widerstand 221, welcher mit den beiden Spannungsquellen 211 und 212 verbunden ist. Ein dritter Ladeanschluss 273 befindet sich an dem Widerstand 222, welcher mit den beiden Spannungsquellen 212 und 213 verbunden ist. Ein vierter Ladeanschluss 274 befindet sich an dem Widerstand 223, welcher mit der Spannungsquelle 213 verbunden ist.
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2b zeigt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schaltungsanordnung 200b, mit der das in 2a gezeigte ideale Ladekonzept für drei seriell geschaltete Energiespeicherzellen 291, 292 und 293 eines elektrischen Energiespeichers auf apparativ einfache Weise realisiert ist.
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Die Schaltungsanordnung 200b weist im Vergleich zu der Schaltungsanordnung 200a nur noch eine Spannungsquelle 210 auf, welche eine Spannung Uz* bereit stellt. Auch hier ist die Spannung Uz* um Zwei mal eine Diodendurchlassspannung Ud größer ist als die Spannung Uz. Eine Schalteinrichtung, welche vier wechselseitig betreibbare Schalter S1, S2, S3 und S4 aufweist, ist der Spannungsquelle 210 nachgeschaltet. Die Schalteinrichtung weist zwei Ausgänge auf, die jeweils einer Halbbrückenschaltung zugeordnet sind. Von jeder der beiden Halbbrückenschaltungen werden jeweils drei Ladungspumpen gespeist. Wie aus 2b ersichtlich, sind an einer ersten Halbbrückenschaltung eine erste Ladungspumpe 231, eine dritte Ladungspumpe 241 und eine fünfte Ladungspumpe 251 angeschlossen. An der anderen zweiten Halbbrückenschaltung sind eine zweite Ladungspumpe 236, eine vierte Ladungspumpe 246 und eine sechste Ladungspumpe 256 angeschlossen.
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Die erste Ladungspumpe 231 weist einen Kondensator 233 und ein erstes Diodenpaar mit zwei Dioden 234a und 234b auf. Die zweite Ladungspumpe 236 weist einen Kondensator 238 und ein zweites Diodenpaar mit zwei Dioden 239a und 239b auf. Die dritte Ladungspumpe 241 weist einen Kondensator 243 und ein drittes Diodenpaar mit zwei Dioden 244a und 244b auf. Die vierte Ladungspumpe 246 weist einen Kondensator 248 und ein viertes Diodenpaar mit zwei Dioden 249a und 249b auf. Die fünfte Ladungspumpe 251 weist einen Kondensator 253 und ein fünftes Diodenpaar mit zwei Dioden 254a und 254b auf. Die sechste Ladungspumpe 256 weist einen Kondensator 258 und ein sechstes Diodenpaar mit zwei Dioden 259a und 259b auf.
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Auch die Schaltungsanordnung 200b kann erweitert werden, so dass nicht nur drei sondern gleichzeitig vier oder mehr Energiespeicherzellen aufgeladen werden können. Der Mehraufwand an Komponenten zur Erweiterung der Schaltungsanordnung für eine weitere Energiespeicherzelle sind insgesamt lediglich zwei Paare von Dioden und zwei Kondensatoren.
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Ein elektrischer Energiespeicher oder eine Batterie besteht typischerweise aus einer Serie von n verschalteten Energiespeicherzellen oder Batteriezellen. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird jeder der für eine optimierte und gleichmäßige Aufladung erforderlichen n Spannungsquellen jeweils durch zwei Ladungspumpen realisiert, die jeweils eine Spannungsquelle mit zugehörigem Innenwiderstand darstellen.
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Jede Ladungspumpe umfasst einen Kondensator und zwei in Serie geschaltete Dioden. Alle "2 × n" Ladungspumpen werden aus nur zwei synchron und gegenphasig laufenden Rechteckgeneratoren gespeist. Die Rechteckgeneratoren arbeiten idealerweise in Form von Halbbrücken aus nur einer einzigen Gleichspannungsquelle. Wie bereits oben erwähnt ist mit der Dioden-Durchlassspannung Ud die erforderliche Amplitude Uz* dieser Gleichspannungsquelle Uz + (2 × Ud).
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Die hier beschriebene Schaltungsanordnung 220b hat den Vorteil, dass eine kostenintensive Ausstattung eines mehrere Energiespeicherzellen aufweisenden Energiespeichers mit elektronischen Ausgleichsschaltungen (sog. Balancing Elektronik) nicht erforderlich ist. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass insbesondere im breit aufgestellten Segment der Consumer Elektronik überwiegend einfache Ladegeräte in Gebrauch sind, die auf einer einzigen Spannungsquelle zur Ladung basieren. Zur Sicherheit werden daher in einem Energiespeicher bzw. einer Batterie spezielle Elektroniken zur Spannungsüberwachung jeder einzelnen Zelle integriert. Ohne eine vorgesehene Balancing Elektronik ist eine vorschnelle Alterung typischerweise nicht zu vermeiden, da in der Regel immer eine Energiespeicherzelle in einem Zellstapel eines Energiespeichers das schwächste Glied darstellt. Der durch sämtliche Zellen durchfließende Lade- bzw. Laststrom beschleunigt dann die Alterung dieser vorzeitig entladenen Energiespeicherzelle. Mit dem Ausfall einer schwächsten Zelle ist jedoch der gesamte Energiespeicher unbrauchbar.
