DE102013019759A1

DE102013019759A1 - Ausgleichssteuerschaltung für ein Batteriezellenmodul unter Verwendung einer LC-Reihenresonanzschaltung

Info

Publication number: DE102013019759A1
Application number: DE102013019759.7A
Authority: DE
Inventors: Bong Koo Kang; Chang Hyeon Sung; Hyung Jin Choe; Ho Young Yoon; Min Gi Cho; Yoo Chae Chung; Kyung Min Lee
Original assignee: Academy Industry Foundation of POSTECH
Current assignee: Academy Industry Foundation of POSTECH
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-11-20
Also published as: US20140340022A1; JP2014226018A; CN104167771A; US9203246B2; JP5710731B2; CN104167771B

Abstract

Es wird eine Batteriezellen-Ausgleichsschaltung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Batteriezellenmodul, das mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst; eine Reihenresonanzschaltung, die eine Spuleneinheit und eine Kondensatoreinheit umfasst, die in Reihe geschaltet sind, um elektrische Energie zu speichern, die aus einer entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnen wurde, und die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern; und eine Schaltereinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Rückgewinnungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die aus der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie in der Kondensatoreinheit der Reihenresonanzschaltung zu speichern, und einen Zuführungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die gespeicherte elektrische Energie an die entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichssteuertechnologie für Batteriezellen und genauer eine Ausgleichssteuerschaltung für ein Batteriezellenmodul unter Verwendung einer LC-Reihenresonanzschaltung, die dazu fähig ist, eine Ausgleichsoperation für ein Batteriezellenmodul durchzuführen, und dies unter Verwendung von Schaltelementen und einer LC-Reihenresonanzschaltung.
Beschreibung der verwandten Technik
Allgemein gilt, dass wenn eine Spannung, die über eine Batterie (Batteriezelle) anliegt, einen vorgegebenen Wert übersteigt, die Batterie explodieren kann, und wenn die Spannung unter einen vorgegebenen Wert abfällt, die Batterie dauerhaft Schaden nehmen kann. Soll mittels Batteriezellen Leistung an eine Vorrichtung geliefert werden, die einen relativ hohen Leistungsbedarf hat, wie etwa ein Elektrofahrzeug, wird ein Batteriezellenmodul (Batteriepack) verwendet, das in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst. Wird jedoch ein solches Batteriezellenmodul verwendet, kann aufgrund eines Unterschieds in der Leistungsfähigkeit zwischen den jeweiligen Batteriezellen ein Spannungsungleichgewicht auftreten.
Wird das Batteriezellenmodul geladen, kann eine Batteriezelle in dem Batteriezellenmodul eine obere Grenzspannung vor den anderen Batteriezellen erreichen. In diesem Fall kann das Batteriezellenmodul nicht weiter geladen werden. Das Laden muss daher in einem Zustand beendet werden, in dem die anderen Batteriezellen nicht ausreichend geladen sind. Hierdurch erreicht die Ladekapazität des Batteriezellenmoduls nicht die Nennladekapazität.
Außerdem gilt, dass wenn das Batteriezellenmodul entladen wird, eine Batteriezelle in dem Batteriezellenmodul eine untere Grenzspannung vor den anderen Batteriezellen erreichen kann. In diesem Fall wird, da das Batteriezellenmodul nicht weiter verwendet werden kann, die Verwendungsdauer des Batteriezellenmoduls entsprechend verringert.
Wird das Batteriezellenmodul wie oben beschreiben geladen oder entladen, kann gegebenenfalls die elektrische Energie einer Batteriezelle mit einer höheren elektrischen Energie an eine Batteriezelle mit einer niedrigeren elektrischen Energie geliefert werden, um dadurch die Verwendungsdauer des Batteriezellenmoduls zu verlängern. Ein solcher Vorgang wird als Batterieausgleich bezeichnet.
1 stellt ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Batteriezellen-Ausgleichsschaltung dar, die parallele Widerstände verwendet. Mit Bezug auf 1 umfasst die herkömmliche Batteriezellen-Ausgleichsschaltung ein Batteriezellenmodul 11 mit in Reihe geschalteten Batteriezellen CELL1 bis CELL4, in Reihe geschalteten Widerständen R11 bis R14 und Schaltern SW11 bis SW15, die dafür eingerichtet sind, beide Endanschlüsse des Batteriezellenmoduls 11 und Verbindungsanschlüsse zwischen den Batteriezellen CELL1 bis CELL4 wahlweise mit jeweils zugehörigen Anschlüssen der Widerstände R11 bis R14 zu verbinden.
Mit Bezug auf 1 gilt, dass wenn während eines Ladevorgangs für das Batteriezellenmodul 11 die Ladespannung einer beliebigen Batteriezelle von den Batteriezellen CELL1 bis CELL4 im Batteriezellenmodul 11 eine obere Grenzspannung vor den Ladespannungen der anderen Batteriezellen erreicht, ein entsprechender Schalter von den Schaltern SW11 bis SW15 eingeschaltet wird, um die Ladespannung über einen zugehörigen Widerstand von den Widerständen R11 bis R14 zu entladen.
Erreicht beispielsweise die Ladespannung der zweiten Batteriezelle CELL2 die obere Grenzspannung vor den Ladespannungen der anderen Batteriezellen CELL1, CELL3 und CELL4, wird der Schalter SW12 für eine erforderliche Zeitdauer eingeschaltet. Somit wird, während die Ladespannung der Batteriezelle CELL2 über den Widerstand R12 wie benötigt entladen wird, ein Batteriezellenausgleich ausgeführt.
Beim Einsatz einer solche Batteriezellen-Ausgleichsschaltung verwendet, wird jedoch über den Widerstand Energie verbraucht. Somit wird der Wirkungsgrad entsprechend verringert. Außerdem wird die Effizienz verringert, da während der Verwendung des Batteriemoduls die obere Grenzspannung nicht an eine Batteriezelle mit einer niedrigeren Spannung geliefert werden kann.
2 stellt ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Batteriezellen-Ausgleichsschaltung dar, die Kondensatoren verwendet. Mit Bezug auf 2 umfasst die herkömmliche Batteriezellen-Ausgleichsschaltung ein Batteriezellenmodul 21 mit in Reihe geschalteten Batteriezellen CELL1 bis CELL4, in Reihe geschalteten Kondensatoren C21 bis C23 und Schaltern SW21 bis SW24, die dafür eingerichtet sind, wahlweise jeden von einem Anschluss des Kondensators C21, einem Verbindungsanschluss zwischen den Kondensatoren C21 und C22, einem Verbindungsanschluss zwischen den Kondensatoren C22 und C23 und dem anderen Anschluss des Kondensators C23 mit einem von beiden Anschlüssen einer entsprechenden Batteriezelle von den Batteriezellen CELL1 bis CELL4 zu verbinden.
Mit Bezug auf 2 hat die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung, die Kondensatoren verwendet, zwei Verbindungszustände. Im ersten Verbindungszustand ist jeder von einem Anschluss des Kondensators C21, dem Verbindungsanschluss zwischen den Kondensatoren C21 und C22, dem Verbindungsanschluss zwischen den Kondensatoren C22 und C23 und dem anderen Anschluss des Kondensators C23 mit einem Anschluss (Anode) einer zugehörigen Batteriezelle von den Batteriezellen CELL1 bis CELL4 verbunden, wie in 2 dargestellt ist. Im zweiten Verbindungszustand ist jeder von dem einen Anschluss des Kondensators C21, dem Verbindungsanschluss zwischen den Kondensatoren C21 und C22, dem Verbindungsanschluss zwischen den Kondensatoren C22 und C23 und dem anderen Anschluss des Kondensators C23 mit dem anderen Anschluss (Kathode) der zugehörigen Batteriezelle von den Batteriezellen CELL1 bis CELL4 verbunden.
Bei einer solchen Batteriezellen-Ausgleichsschaltung besteht jedoch das Problem, dass ihre Effizienz sich verringert, da ein harter Schaltvorgang zwischen einem Kondensator und einer Batteriezelle stattfindet. Es ist wünschenswert, dass die Batteriezellen im Batteriemodul dieselbe Kapazität haben. Aufgrund verschiedener Ursachen haben jedoch die Batteriezellen unterschiedliche Kapazitäten. In diesem Fall gilt, dass obwohl die Ladespannung einer beliebigen Batteriezelle niedriger ist als die Ladespannungen der anderen Batteriezellen, die beliebige Batteriezelle eine höhere Kapazität haben kann. In diesem Fall muss die Spannung von einer Batteriezelle mit einer niedrigeren Spannung zu einer Batteriezelle mit einer höheren Spannung transferiert werden. Die herkömmliche Batteriezellen-Ausgleichsschaltung kann jedoch diese Spannungsübertragungsfunktion nicht ausführen.
3 stellt ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Batteriezellen-Ausgleichsschaltung dar, die einen Sperrwandleraufbau verwendet. Mit Bezug auf 3 umfasst die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung ein Batteriezellenmodul 31 mit in Reihe geschalteten Batteriezellen CELL1 bis CELL4, einen Sperrwandler 32, Schalter CELL1 bis CELL4, die dafür eingerichtet sind, wahlweise mehrere Sekundärspulen des Sperrwandlers 32 mit beiden Anschlüssen der jeweiligen Batteriezellen CELL1 bis CELL4 zu verbinden, und einen Schalter SW35, der dafür eingerichtet ist, wahlweise eine Seite einer Primärspule des Sperrwandlers 32 mit einer Seite des Batteriezellenmoduls 31 zu verbinden.
Die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung aus 3 ist eine Batteriezellen-Ausgleichsschaltung, die einen Sperrwandleraufbau verwendet, der eine Art von Schaltnetzteil (SMPS, switch mode power supply) ist. Die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung überträgt gegebenenfalls elektrische Energie zu den im Batteriezellenmodul 31 in Reihe geschalteten Batteriezellen CELL1 bis CELL4, und dies unter Verwendung der entsprechenden Schalter SW31 bis SW34, und sie überträgt gegebenenfalls elektrische Energie zwischen beiden Endanschlüssen des Batteriezellenmoduls 31.
Da die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung als ein SMPS aufgebaut ist, hat die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung einen sehr guten Wirkungsgrad. Mit der steigenden Zahl von Batteriezellen, die im Batteriezellenmodul bereitgestellt werden, steigt jedoch auch unvermeidlich die Größe eines magnetischen Kerns, der im Sperrwandler verwendet wird. Somit steigt der Preis der Batteriezellen-Ausgleichsschaltung.
Da die herkömmlichen Batteriezellen-Ausgleichsschaltungen keine Funktion haben, um die Ausgleichsgeschwindigkeit geeignet zu steuern, gilt außerdem, dass Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Ausgleichseffizienz oder beim Sicherstellen der Zellenstabilität auftreten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung mit dem Ziel ausgeführt, die im Stand der Technik auftretenden Probleme zu lösen und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Ausgleichssteuerschaltung für ein Batteriezellenmodul bereitzustellen, das eine Ausgleichsoperation für ein Batteriezellenmodul durchführt, und dies unter Verwendung von Schaltelementen und einer LC-Reihenresonanzschaltung, wodurch Verluste durch ein hartes Schalten minimiert werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausgleichssteuerschaltung für ein Batteriezellenmodul unter Verwendung einer LC-Reihenresonanzschaltung bereitzustellen, die unter Verwendung von Transformatoren elektrische Energien von Kondensatoren von mehreren Batteriezellenmodulen, die in mehreren Batteriemodulen bereitgestellt werden, auf demselben Niveau verändert, wenn die Batteriezellenmodule in Reihe geschaltet sind.
Zum Erreichen des oben genannten Ziels wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Batteriezellen-Ausgleichsschaltung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: ein Batteriezellenmodul, das mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst; eine Reihenresonanzschaltung, die eine Spuleneinheit und eine Kondensatoreinheit umfasst, die in Reihe geschaltet sind, um elektrische Energie zu speichern, die aus einer entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnen wurde, und die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern; und eine Schaltereinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Rückgewinnungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die aus der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie in der Kondensatoreinheit der Reihenresonanzschaltung zu speichern, und einen Zuführungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die gespeicherte elektrische Energie an die entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Batteriezellen-Ausgleichsschaltung bereitgestellt, die eine LC-Reihenresonanzschaltung verwendet und die mehrere Batteriemodule umfasst. Dabei umfasst jedes der Batteriemodule Folgendes: ein Batteriezellenmodul, das mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst; eine Reihenresonanzschaltung, die dafür eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern, die aus einer entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnen wurde, und die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern; eine Schaltereinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Rückgewinnungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die aus der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie in einem Kondensator der Reihenresonanzschaltung zu speichern, und einen Zuführungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern; und eine Spule eines Transformators, der parallel zum Kondensator geschaltet ist, wobei die Batteriezellenmodule in Reihe geschaltet sind, und die Spulen, die in den Reihenresonanzschaltungen enthalten sind, magnetisch gekoppelt sind, so dass die Niveaus der elektrischen Energien, die in den Kondensatoren gespeichert oder aus ihnen entladen werden, auf demselben Niveau verändert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die obengenannten Gegenstände und weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlicher, die zusammen mit der Zeichnung zu lesen ist, in der:
1 ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Batteriezellen-Ausgleichsschaltung darstellt, die parallele Widerstände verwendet;
2 ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Batteriezellen-Ausgleichsschaltung darstellt, die Kondensatoren verwendet;
3 ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen Batteriezellen-Ausgleichsschaltung darstellt, die einen Sperrwandleraufbau verwendet;
4 ein Diagramm darstellt, das eine Ausgleichssteuerschaltung für ein Batteriezellenmodul veranschaulicht, die eine LC-Reihenresonanzschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
5A ein Schaltungsdiagramm einer veränderlichen Spule gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5B ein Schaltungsdiagramm eines veränderlichen Kondensators gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
die 6 und 7 Schaltungsdiagramme darstellen, die Beispiele veranschaulichen, in denen ein veränderlicher Kondensator zum Einstellen der Ausgleichsgeschwindigkeit verwendet wird;
8 ein Blockdiagramm einer Batteriezellen-Ausgleichsschaltung darstellt, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine LC-Reihenresonanzschaltung verwendet;
die 9A bis 9C detaillierte Schaltungsdiagramme von Batteriemodulen aus 8 darstellen;
10 veranschaulicht, dass die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung, die gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine LC-Reihenresonanzschaltung verwendet, zwei Batteriemodule umfasst;
11 ein Schaltungsdiagramm der Batteriezellen-Ausgleichsschaltung zum Ausführen eines Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie darstellt;
12 ein Schaltungsdiagramm der Batteriezellen-Ausgleichsschaltung zum Ausführen eines Zuführungsmodus für elektrische Energie darstellt;
13 ein weiteres Schaltungsdiagramm der Batteriezellen-Ausgleichsschaltung zum Ausführen eines Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie darstellt;
14 ein weiteres Schaltungsdiagramm der Batteriezellen-Ausgleichsschaltung zum Ausführen eines Zuführungsmodus für elektrische Energie darstellt; und
15 ein Schaltungsdiagramm darstellt, das ein Beispiel veranschaulicht, in dem Transformatoren wahlweise betrieben werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird jetzt detaillierter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung genommen, von der ein Beispiel in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist. Wo immer möglich, werden in der Zeichnung und der Beschreibung durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile zu verweisen.
4 stellt ein Diagramm dar, das eine Ausgleichssteuerschaltung für ein Batteriezellenmodul veranschaulicht, die eine LC-Reihenresonanzschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Mit Bezug auf 4 umfasst die Ausgleichssteuerschaltung ein Batteriezellenmodul 410, eine Reihenresonanzschaltung 420 und eine Schaltereinheit mit einer ersten bis dritten Schaltereinheit 431 bis 433.
Das Batteriezellenmodul 410 umfasst eine erste bis vierte Batteriezelle CELL1 bis CELL4, die in Reihe geschaltet sind.
Die Reihenresonanzschaltung 420 umfasst eine Spuleneinheit Lv und eine Kondensatoreinheit Cv, die in Reihe geschaltet sind. Die Spuleneinheit Lv kann eine veränderliche Kapazität haben und die Kondensatoreinheit Cv kann eine veränderliche Kapazität haben.
Die Schaltereinheit (nicht dargestellt) umfasst die erste bis vierte Schaltereinheit 431 bis 433.
Die erste Schaltereinheit 431 ist dafür eingerichtet, einen Pfad zu bilden, um elektrische Energie von der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 rückzugewinnen oder zu diesen zu liefern. Für diesen Vorgang umfasst die erste Schaltereinheit 431 einen ersten bis fünften Schalter SW1 bis SW5, von denen jeweils ein Anschluss mit dem jeweils zugehörigen Anschluss der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 verbunden ist und die anderen Anschlüsse gemeinsam mit einem ersten gemeinsamen Knoten N1 verbunden sind.
Die zweite Schaltereinheit 432 ist dafür eingerichtet, einen Pfad zu bilden, um elektrische Energie von der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 rückzugewinnen oder zu diesen zu liefern. Für diesen Vorgang umfasst die zweite Schaltereinheit 432 einen sechsten bis zehnten Schalter SW6 bis SW10, von denen jeweils ein Anschluss mit dem jeweils zugehörigen Anschluss der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 verbunden ist und die anderen Anschlüsse gemeinsam mit einem zweiten gemeinsamen Knoten N2 verbunden sind.
Die jeweils zugehörigen Anschlüsse der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 umfassen einen Anschluss der ersten Batteriezelle CELL1, einen gemeinsamen Verbindungsanschluss zwischen dem anderen Anschluss der ersten Batteriezelle CELL1 und einem Anschluss der zweiten Batteriezelle CELL2, einen gemeinsamen Verbindungsanschluss zwischen dem anderen Anschluss der zweiten Batteriezelle CELL2 und einem Anschluss der dritten Batteriezelle CELL3, einen gemeinsamen Verbindungsanschluss zwischen dem anderen Anschluss der dritten Batteriezelle CELL3 und einem Anschluss der vierten Batteriezelle CELL4 und den anderen Anschluss der vierten Batteriezelle CELL4.
Die dritte Schaltereinheit 433 umfasst einen 11ten bis 14ten Schalter SW11 bis SW14. In einem Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie ist der 11te Schalter SW11 dafür eingerichtet, einen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 420 mit dem ersten gemeinsamen Knoten N1 zu verbinden, und der 12te Schalter SW12 ist dafür eingerichtet, den anderen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 420 mit dem zweiten gemeinsamen Knoten N2 zu verbinden. In einem Zuführungsmodus für elektrische Energie ist der 13te Schalter SW13 dafür eingerichtet, den anderen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 420 mit dem ersten gemeinsamen Knoten N1 zu verbinden und der 14te Schalter SW14 ist dafür eingerichtet, den einen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 420 mit dem zweiten gemeinsamen Knoten N2 zu verbinden.
Für die Schalter, die in der ersten bis dritten Schaltereinheit 431 bis 433 bereitgestellt werden, können SPST-Schalter (single pole single throw, einpolige Einschalter) eingesetzt werden. Die vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt und die ersten bis dritten Schaltereinheiten 431 bis 433 können mit anderen Schalterelementen implementiert werden, wie etwa MOSFET (Metalloxid-Feldeffekt-Transistoren), BJT (Bipolartransistoren) und IGBT (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode).
Im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie, wenn eine Batteriezelle von der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 des Batteriezellenmoduls 410 mit einer höheren elektrischen Energie geladen ist als die anderen Batteriezellen, wird die elektrische Energie der Batteriezelle temporär in der Reihenresonanzschaltung gespeichert, und dies über den Rückgewinnungspfad für elektrische Energie, der durch die Schalter der ersten bis dritten Schaltereinheit 431 bis 433 gebildet wird. Da die Kapazität der Batteriezelle, die mit einer höheren elektrischen Energie geladen ist, viel größer ist als die Kapazität der veränderlichen Kondensatoreinheit Cv, gilt zu diesem Zeitpunkt, dass die Spannung der Batteriezelle geringfügig abnimmt. Auf der anderen Seite nimmt die Ladespannung der veränderlichen Kondensatoreinheit Cv in Form einer Sinusfunktion zu.
Anschließend, im Zuführungsmodus für elektrische Energie, wird die temporär in der veränderlichen Kondensatoreinheit Cv der Reihenresonanzschaltung 420 gespeicherte elektrische Energie an eine Batteriezelle geliefert, die mit einer niedrigeren elektrischen Energie geladen ist als die anderen Batteriezellen unter der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4, und dies über den Rückgewinnungspfad für elektrische Energie, der durch die Schalter der ersten bis dritten Schaltereinheit 431 bis 433 gebildet wird.
Durch die oben beschriebene Abfolge von Rückgewinnungs- und Bereitstellungsprozessen für elektrische Energie wird ein Batteriezellenausgleich ausgeführt.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt jedoch, dass die Reihenresonanzschaltung 420 die Spuleneinheit Lv und die Kondensatoreinheit Cv mit variabler Kapazität umfasst, und dies, um die Ausgleichsgeschwindigkeit zu steuern, wenn auf der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 des Batteriezellenmoduls 410 eine Ausgleichsoperation ausgeführt wird.
Das Verfahren zum Implementieren der Spuleneinheit Lv und der Kondensatoreinheit Cv mit einer veränderlichen Kapazität kann verschiedene Ausführungsformen umfassen. Die 5A und 5B veranschaulichen die Ausführungsformen.
5A veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Spuleneinheit Lv mit zwei Spulen L1 und L2 und einem 21ten Schalter SW21 implementiert ist. Wenn der 21te Schalter SW21 eingeschaltet ist, sind die zwei Spulen L1 und L2 durch den 21ten Schalter SW21 zueinander parallel geschaltet und die Induktivität der Spuleneinheit Lv wird eingestellt (verringert). Ist der 21te Schalter SW21 jedoch ausgeschaltet, wird der Wert der veränderlichen Spuleneinheit Lv durch die eine Spule L1 eingestellt. Somit hat die Spuleneinheit Lv eine höher Induktivität als dann, wenn die zwei Spulen L1 und L2 parallel zueinander geschaltet sind.
5B veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Kondensatoreinheit Cv mit zwei Kondensatoren C1 und C2 und einem 22ten Schalter SW22 implementiert ist. Ist der 22te Schalter SW22 eingeschaltet, sind die beiden Kondensatoren C1 und C2 über den 22ten Schalter SW22 zueinander parallel geschaltet und die Kapazität der Kondensatoreinheit Cv wird eingestellt (erhöht). Ist jedoch der 22te Schalter SW22 ausgeschaltet, wird der Wert der veränderlichen Kondensatoreinheit Cv durch den einen Kondensator C1 eingestellt. Somit hat die Kondensatoreinheit Cv eine niedrigere Kapazität als dann, wenn die zwei Kondensatoren C1 und C2 zueinander parallel geschaltet sind.
Die 6 und 7 veranschaulichen ein Beispiel, in dem die Spuleneinheit der Reihenresonanzschaltung 420 mit einer festen Spule L_S implementiert ist, die einen festen Induktivitätswert hat, und die Kondensatoreinheit Cv mit einem veränderlichen Kondensator implementiert ist, dessen Kapazität gemäß einer erforderlichen Ausgleichsgeschwindigkeit durch die zwei Kondensator C1 und C2 verändert wird. Mit Bezug auf die 6 und 7 wird nachfolgend ein Vorgang zur Steuerung der Ausgleichsgeschwindigkeit durch das Verändern der Kapazität des Kondensators im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie beschrieben.
6 veranschaulicht ein Beispiel, in dem ein Ausgleich mit niedriger Geschwindigkeit ausgeführt wird, wenn die in der dritten Batteriezelle CELL3 gespeicherte elektrische Energie von den elektrischen Energien, die in der im Batteriezellenmodul 410 bereitgestellten ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 gespeichert sind, am höchsten ist, wobei die Reihenresonanzschaltung 420 die veränderliche Kondensatoreinheit Cv umfasst, die mit dem ersten und zweiten Kondensator C1 und C2 und dem 22ten Schalter SW22 implementiert ist. Da der 22te Schalter SW22 ausgeschaltet ist, wird zu diesem Zeitpunkt die Kapazität der Kondensatoreinheit Cv durch den ersten Kondensator C1 eingestellt.
In diesem Fall gilt, dass entsprechend einem Signal zur Schaltersteuerung, das von der Steuerungseinheit (nicht dargestellt) ausgegeben wird, der dritte Schalter SW3 von den Schaltern der ersten Schaltereinheit 431 eingeschaltet wird und die anderen Schalter ausgeschaltet werden. Der neunte Schalter SW9 von den Schaltern der zweiten Schaltereinheit 432 wird eingeschaltet und die anderen Schalter werden ausgeschaltet. Der 11te und 12te Schalter SW11 und SW12 von den Schaltern der dritten Schaltereinheit 433 werden eingeschaltet und die anderen Schalter werden ausgeschaltet.
Somit gilt, dass die in der dritten Batteriezelle CELL3 des Batteriezellenmoduls 410 gespeicherte elektrische Energie temporär im ersten Kondensator C1 der Reihenresonanzschaltung 420 gespeichert wird, und dies über den dritten Schalter SW3 der ersten Schaltereinheit 431, den ersten Knoten N1 und den 11ten Schalter SW11 der dritten Schaltereinheit 433. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kapazität der Kondensatoreinheit Cv niedriger eingestellt, als wenn der erste und zweite Kondensator C1 und C2 zueinander parallel geschaltet wären. Da der Ausgleichsvorgang für das Batteriezellenmodul 410 mit niedriger Geschwindigkeit ausgeführt wird, gilt, dass sich der Ausgleichswirkungsgrad verbessert.
Ist es jedoch vorgesehen, dass die Ausgleichsgeschwindigkeit unter den Bedingungen der 6 erhöht wird, wird das Signal zur Schaltersteuerung dazu verwendet, den 22ten Schalter SW22 einzuschalten, wie dies in 7 dargestellt ist. Der erste und zweite Kondensator C1 und C2 werden somit zueinander parallel geschaltet und die Kapazität der Kondensatoreinheit Cv wird eingestellt (erhöht).
Somit wird ein Ausgleichsvorgang derart ausgeführt, dass die in der dritten Batteriezelle CELL3 gespeicherte elektrische Energie temporär im ersten und zweiten Kondensator C1 und C2, die in der Reihenresonanzschaltung 420 zueinander parallel geschaltet sind, gespeichert wird, und dies über den oben beschriebenen Pfad und in einem Zustand, in dem die Schalter der ersten bis dritten Schaltereinheit 431 bis 433 auf dieselbe Weise, wie in 6 dargestellt, geschaltet sind. Da jedoch der erste und zweite Kondensator C1 und C2 zueinander parallel geschaltet sind, liegt die Kapazität der Kondensatoreinheit Cv höher als in 6. Dadurch ist die Ausgleichsgeschwindigkeit erhöht, um die Zellenstabilität sicherzustellen.
Durch die oben beschriebene Abfolge von Vorgängen wird im Zuführungsmodus für elektrische Energie die temporär in der Kondensatoreinheit Cv der Reihenresonanzschaltung 420 gespeicherte elektrische Energie an eine Batteriezelle geliefert, die unter der ersten bis vierten Batteriezelle CELL1 bis CELL4 die niedrigste elektrische Energie hat, beispielsweise die vierte Batteriezelle CELL4.
Zu diesem Zeitpunkt sind der fünfte Schalter SW5 der ersten Schaltereinheit 431, der neunte Schalter SW9 der zweiten Schaltereinheit 432 und der 13te und 14te Schalter SW13 und SW14 der dritten Schaltereinheit 433 eingeschaltet und die anderen Schalter sind ausgeschaltet. Somit wird die temporär in der Kondensatoreinheit Cv gespeicherte elektrische Energie über den 14ten Schalter SW14 und den neunten Schalter SW9 an die vierte Batteriezelle CELL4 geliefert.
Selbst zu diesem Zeitpunkt kann die Ausgleichsgeschwindigkeit eingestellt werden, da die Kapazität der Kondensatoreinheit Cv verändert wird, indem über den 22ten Schalter SW22 der erste und zweite Kondensator C1 und C2 zueinander parallel geschaltet werden oder der erste und zweite Kondensator C1 und C2 voneinander getrennt werden, wie dies in den 6 und 7 dargestellt ist.
8 stellt ein Blockdiagramm einer Batteriezellen-Ausgleichsschaltung dar, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine LC-Reihenresonanzschaltung verwendet. Die 9A bis 9C stellen detaillierte Schaltungsdiagramme von Batteriemodulen aus 8 dar. Die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung umfasst N Batteriemodule 800_1 bis 800_N. Da jedes der N Batteriemodule 800_1 bis 800_N M Batteriezellen CELL_1 bis CELL_M enthält, umfasst die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung 800 M·N Batteriezellen. Die in jedem der N Batteriemodule 800_1 bis 800_N bereitgestellten M Batteriezellen CELL_1 bis CELL_M sind in Reihe geschaltet.
Ist eine Batteriezelle eines beliebigen Batteriemoduls von den N Batteriemodulen 800_1 bis 800_N, beispielsweise eine Batteriezelle von den Batteriezellen CELL_1 bis CELL_M eines ersten Batteriezellenmoduls 811 des ersten Batteriemoduls 800_1, mit einer höheren elektrischen Energie geladen als die anderen Batteriezellen, wird die elektrische Energie der Batteriezelle temporär in einem Kondensator Cs1 einer Reihenresonanzschaltung 812 gespeichert, und dies über einen Rückgewinnungspfad für elektrische Energie, der durch Schalter einer ersten bis dritten Schaltereinheit 813A bis 813C gebildet wird.
Jedes der N Batteriemodule 800_1 bis 800_N umfasst einen Kondensator1 Cs1, der parallel zu einer Spule L1 eines Transformators TR geschaltet ist. Die Spulen L1 sind untereinander magnetisch gekoppelt. Somit gilt, dass wenn in einem beliebigen Batteriemodul elektrische Energie über den oben beschriebenen Pfad rückgewonnen und in dem Kondensator Cs1 temporär gespeichert wird, die elektrische Energie über die Spulen L1 zu den Kondensatoren Cs1 der anderen Batteriemodule übertragen wird. Somit werden die Kondensatoren Cs1 von allen Batteriemodulen 800_1 bis 800_N mit elektrischer Energie auf demselben Niveau geladen.
Da die Transformatoren TR verwendet werden, um die Ladespannungen der Kondensatoren Cs1 der Batteriemodule 800_1 bis 800_N zu verteilen, kann die elektrische Energie leicht zwischen den Batteriezellen übertragen werden, obgleich Schalter verwendet werden, die eine niedrige interne Spannung haben.
Die temporär im Kondensator Cs1 der Reihenresonanzschaltung 812 gespeicherte elektrische Energie wird an eine Batteriezelle geliefert, die mit einer niedrigeren elektrischen Energie als die anderen Batteriezellen in einem beliebigen Batteriemodul von den N Batteriemodulen 800_1 bis 800_N geladen ist, und dies über den Zuführungspfad für elektrische Energie, der durch die Schalter der ersten bis dritten Schalter 813A bis 813C gebildet wird.
Durch die oben beschriebene Abfolge von Vorgängen zur Rückgewinnung und Zuführung von elektrischer Energie wird ein Batteriezellenausgleich ausgeführt.
In den 9A bis 9C sind SPST (single pole single throw; einpolige Einschalter) Schalter als die Schalter eingesetzt, die in der ersten bis dritten Schaltereinheit 813A bis 813C bereitgestellt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt und die erste bis dritte Schaltereinheit 431 bis 433 kann mit anderen Schalterelementen implementiert werden, wie etwa MOSFET (Metalloxid-Feldeffekt-Transistoren), BJT (Bipolartransistoren) und IGBT (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode).
10 veranschaulicht, dass die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung, die gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine LC-Reihenresonanzschaltung verwendet, zwei Batteriemodule umfasst. Mit Bezug auf 10 wird der Batteriezellenausgleichsvorgang gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachfolgend detaillierter beschrieben.
Mit Bezug auf 10 gilt, dass die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung 800 das erste und zweite Batteriemodul 800_1 und 800_2 umfasst. Da das erste und zweite Batteriemodul 800_1 und 800_2 denselben Aufbau haben, ist die nachfolgende Beschreibung von dem ersten und zweiten Batteriemodul 800_1 und 800_2 auf das erste Batteriemodul 800_1 konzentriert.
Das erste Batteriemodul 800_1 umfasst ein erstes Batteriezellenmodul 811, eine Reihenresonanzschaltung 812, eine Schaltereinheit, die eine erste bis dritte Schaltereinheit 813A bis 813C umfasst, und eine erste Spule L1 eines Transformators TR.
Das erste Batteriezellenmodul 811 umfasst eine erste bis vierte Batteriezelle CELL11 bis CELL14, die in Reihe geschaltet sind.
Die Reihenresonanzschaltung 812 umfasst eine erste Spule Ls1 und einen ersten Kondensator Cs1, die in Reihe geschaltet sind.
Die erste Spule L1 des Transformators TR ist parallel zum ersten Kondensator Cs1 geschaltet.
Die erste Schaltereinheit 813A bildet einen Pfad, um elektrische Energie von der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 rückzugewinnen oder an diese zu liefern. Für diesen Vorgang umfasst der erste Schalter 813A einen ersten bis fünften Schalter SW1 bis SW5, von denen ein Anschluss mit dem zugehörigen Anschluss der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 verbunden ist und die jeweils anderen Anschlüsse gemeinsam mit einem ersten gemeinsamen Knoten Nil verbunden sind.
Die zweite Schaltereinheit 813B bildet einen Pfad, um elektrische Energie von der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 rückzugewinnen oder an diese zu liefern. Für diesen Vorgang umfasst der zweite Schalter 813B einen sechsten bis zehnten Schalter SW6 bis SW10, von denen ein Anschluss mit dem zugehörigen Anschluss der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 verbunden ist und die jeweils anderen Anschlüsse gemeinsam mit einem zweiten gemeinsamen Knoten N12 verbunden sind.
Die jeweiligen Anschlüsse der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 umfassen einen Anschluss der ersten Batteriezelle CELL11, einen gemeinsamen Verbindungsanschluss zwischen dem anderen Anschluss der ersten Batteriezelle CELL11 und einem Anschluss der zweiten Batteriezelle CELL12, einen gemeinsamen Verbindungsanschluss zwischen dem anderen Anschluss der zweiten Batteriezelle CELL12 und einem Anschluss der dritten Batteriezelle CELL13, einen gemeinsamen Verbindungsanschluss zwischen dem anderen Anschluss der dritten Batteriezelle CELL13 und einem Anschluss der vierten Batteriezelle CELL14 und den anderen Anschluss der vierten Batteriezelle CELL14.
Die dritte Schaltereinheit 813C umfasst 11te bis 14te Schalter SW11 bis SW14. Im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie ist der 11te Schalter SW11 dafür eingerichtet, einen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 812 mit dem ersten gemeinsamen Knoten N11 zu verbinden, und der 12te Schalter SW12 ist dafür eingerichtet, den anderen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 812 mit dem zweiten gemeinsamen Knoten N12 zu verbinden. Der 13te Schalter SW13 ist dafür eingerichtet, den anderen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 812 mit dem ersten gemeinsamen Knoten N11 zu verbinden, und der 14te Schalter SW14 ist dafür eingerichtet, den einen Endanschluss der Reihenresonanzschaltung 812 mit dem zweiten gemeinsamen Knoten N12 zu verbinden.
Die erste bis vierte Batteriezelle CELL11 bis CELL14, die mit dem ersten Batteriezellenmodul 811 des ersten Batteriemoduls 800_1 in Reihe geschaltet sind, sind in Reihe mit der ersten bis vierten Batteriezelle CELL21 bis CELL24 geschaltet, die mit dem zweiten Batteriezellenmodul 821 des zweiten Batteriezellenmoduls 800_2 in Reihe geschaltet sind.
Die erste Spule L1 des Transformators TR, die parallel zum ersten Kondensator Cs1 des ersten Batteriemoduls 800_1 geschaltet ist, und die zweite Spule L2 des Transformators TR, die parallel zum zweiten Kondensator Cs2 des zweiten Batteriemoduls 800_2 geschaltet ist, sind miteinander magnetisch gekoppelt.
Von den elektrischen Energien, die in der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 gespeichert sind, die im ersten Batteriezellenmodul 811 des ersten Batteriemoduls 800_1 bereitgestellt werden, und den elektrischen Energien, die in der ersten bis vierten Batteriezelle CELL21 bis CELL24 gespeichert sind, die im zweiten Batteriezellenmodul 821 des zweiten Batteriemoduls 800_2 bereitgestellt werden, wird die höchste elektrische Energie temporär im ersten Kondensator Cs1 der Reihenresonanzschaltung 812 des ersten Batteriemoduls 800_1 oder dem zweiten Kondensator Cs2 der Reihenresonanzschaltung 822 des zweiten Batteriemoduls 800_2 gespeichert, und dies über den Rückgewinnungspfad für elektrische Energie, der durch entsprechende Schalter der Schaltereinheiten gebildet wird.
Mit Bezug auf 11 wird nachfolgend der Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie beschrieben. In 11 sei angenommen, dass von den elektrischen Energien, die in der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 gespeichert sind, die im ersten Batteriezellenmodul 811 des ersten Batteriemoduls 800_1 bereitgestellt werden, und den elektrischen Energien, die in der ersten bis vierten Batteriezelle CELL21 bis CELL24 gespeichert sind, die im zweiten Batteriezellenmodul 821 des zweiten Batteriemoduls 800_2 bereitgestellt werden, die höchste elektrische Energie in der zweiten Batteriezelle CELL12 des ersten Batteriezellenmoduls 811 gespeichert ist.
In diesem Fall ist, entsprechend dem von der Steuereinheit (nicht dargestellt) ausgegebenen Signal zur Schaltersteuerung, der dritte Schalter SW3 von den Schaltern der ersten Schaltereinheit 813A des ersten Batteriemoduls 800_1 eingeschaltet und die anderen Schalter sind ausgeschaltet. Der siebte Schalter SW7 von den Schaltern der zweiten Schaltereinheit 813B ist eingeschaltet und die anderen Schalter sind ausgeschaltet. Der 13te und 14te Schalter SW13 und SW14 von den Schaltern der dritten Schaltereinheit 813C sind eingeschaltet und die anderen Schalter sind ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Schalter der ersten bis dritten Schaltereinheit 823A bis 823C des zweiten Batteriemoduls 800_2 ausgeschaltet.
Somit wird die elektrische Energie, die in der zweiten Batteriezelle CELL12 gespeichert ist, die im ersten Batteriezellenmodul 811 des ersten Batteriemoduls 800_1 bereitgestellt wird, temporär im ersten Kondensator Cs1 der Reihenresonanzschaltung 812 gespeichert, und dies über den siebten Schalter SW7 der zweiten Schaltereinheit 813B, den zweiten Knoten N12 und den 14ten Schalter SW14 der dritten Schaltereinheit 813C.
Da die Kapazität der zweiten Batteriezelle CELL12 viel größer ist als die Kapazität des ersten Kondensators Cs1, gilt zu diesem Zeitpunkt, dass die Ladespannung der zweiten Batteriezelle CELL12 geringfügig abnimmt, wenn die Reihenresonanzschaltung 812 im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie schwingt. Auf der anderen Seite nimmt die Ladespannung des ersten Kondensators Cs1 in Form einer Sinusfunktion zu.
Wie oben beschrieben, gilt jedoch, dass die erste und zweite Spule L1 und L2 des Transformators TR miteinander magnetisch gekoppelt sind. Somit wird die im ersten Kondensator Cs1 gespeicherte elektrische Energie über die erste und zweite Spule L1 und L2 des Transformators TR im zweiten Kondensator Cs2 gespeichert. Dann sind im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie der erste und zweite Kondensator Cs1 und Cs2 mit elektrischer Energie auf demselben Niveau geladen.
Der Zuführungsmodus für elektrische Energie, in dem die rückgewonnene elektrische Energie einer Batteriezelle zugeführt wird, die eine niedrigere elektrische Energie als die anderen Batteriezellen hat, wird mit Bezug auf 12 beschrieben. In 12 sei angenommen, dass von den elektrischen Energien, die in der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14 gespeichert sind, die im ersten Batteriezellenmodul 811 des ersten Batteriemoduls 800_1 bereitgestellt werden, und den elektrischen Energien, die in der ersten bis vierten Batteriezelle CELL21 bis CELL24 gespeichert sind, die im zweiten Batteriezellenmodul 821 des zweiten Batteriemoduls 800_2 bereitgestellt werden, die niedrigste elektrische Energie in der vierten Batteriezelle CELL24 des zweiten Batteriezellenmoduls 821 gespeichert ist.
Für diesen Fall gilt, dass entsprechend dem Signal zur Schaltersteuerung, das von der Steuerungseinheit ausgegeben wird, alle Schalter der ersten bis dritten Schaltereinheit 813A bis 813C des ersten Batteriemoduls 800_1 ausgeschaltet sind. Zu diesem Zeitpunkt ist der 24te Schalter von den Schaltern der ersten Schaltereinheit 823A des zweiten Batteriemoduls 800_2 eingeschaltet und die anderen Schalter sind ausgeschaltet. Der 30te Schalter SW30 von den Schaltern der zweiten Schaltereinheit 823B ist eingeschaltet und die anderen Schalter sind ausgeschaltet. Der 31te und 32te Schalter SW31 und SW32 von den Schaltern der dritten Schaltereinheit 823C sind eingeschaltet und die anderen Schalter sind ausgeschaltet.
Somit wird die elektrische Energie, die im zweiten Kondensator Cs2 des zweiten Batteriemoduls 800_2 gespeichert ist, an die vierte Batteriezelle CELL24 des zweiten Batteriezellenmoduls 821 geliefert, und dies über den 31ten Schalter SW31 der dritten Schaltereinheit 823 und den 24ten Schalter SW24 der ersten Schaltereinheit 823A.
Da die Kapazität der vierten Batteriezelle CELL24 viel größer ist als die Kapazität des zweiten Kondensators Cs2, gilt zu diesem Zeitpunkt, dass im Zuführungsmodus für elektrische Energie die Ladespannung der vierten Batteriezelle CELL24 geringfügig zunimmt. Auf der anderen Seite nimmt die Ladespannung des zweiten Kondensators Cs2 in Form einer Sinuskurve ab.
Wie oben beschrieben, gilt jedoch, dass die erste und zweite Spule L1 und L2 des Transformators TR miteinander magnetisch gekoppelt sind. Somit nehmen im Zuführungsmodus für elektrische Energie die elektrischen Energien des ersten und zweiten Kondensators Cs1 und Cs2 auf dasselbe Niveau ab.
Wird die Spannung im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie und im Zuführungsmodus für elektrische Energie an die erste und zweite Spule L1 und L2 des Transformators TR nur in einer Richtung zugeführt, kann Sättigung eintreten. Um eine Sättigung zu vermeiden, kann eine bipolare Spannung an die erste und zweite Spule L1 und L2 des Transformators TR angelegt werden, derart, dass eine mittlere Spannung 0 wird.
Die 13 und 14 veranschaulichen Ausführungsformen zum Vermeiden der Sättigung.
13 unterscheidet sich von 11 darin, dass im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie von dem 11ten bis 14ten Schalter SW11 bis SW14 der dritten Schaltereinheit 813C des ersten Batteriemoduls 800_1 der 11te und 12te Schalter SW11 und SW12 eingeschaltet sind und der 13te und 14te Schalter SW13 und SW14 ausgeschaltet sind.
14 unterscheidet sich von 12 darin, dass im Zuführungsmodus für elektrische Energie von dem 31ten bis 34ten Schalter SW31 bis SW34 der dritten Schaltereinheit 823C des zweiten Batteriemoduls 800_2 der 33te und 34te Schalter SW33 und SW34 eingeschaltet und der 31te und 32te Schalter SW31 und SW32 ausgeschaltet sind.
Mit anderen Worten werden im Rückgewinnungsmodus für elektrische Energie der Rückgewinnungspfad für elektrische Energie aus 11 und der Rückgewinnungspfad für elektrische Energie aus 13 alternierend angewendet, um von der entsprechenden Batteriezelle elektrische Energie rückzugewinnen, und dies solange, bis unter der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14, die im ersten Batteriezellenmodul 811 bereitgestellt werden, und der ersten bis vierten Batteriezelle CELL21 bis CELL24, die im zweiten Batteriezellenmodul 821 des zweiten Batteriemoduls 800_2 bereitgestellt werden, die elektrische Energie ausgeglichen ist. Außerdem gilt im Zuführungsmodus für elektrische Energie, dass der Zuführungspfad für elektrische Energie aus 12 und der Zuführungspfad für elektrische Energie aus 14 alternierend angewendet werden, um elektrische Energie an die entsprechende Batteriezelle zu liefern, und dies bis unter der ersten bis vierten Batteriezelle CELL11 bis CELL14, die im ersten Batteriezellenmodul 811 bereitgestellt werden, und der ersten bis vierten Batteriezelle CELL21 bis CELL24, die im zweiten Batteriezellenmodul 821 des zweiten Batteriemoduls 800_2 bereitgestellt werden, ein Ausgleich der elektrischen Energie erreicht ist. Dann gilt, dass wenn die Ausgleichsoperation für die Batteriezellen ausgeführt wird, es möglich ist, die Sättigung des Transformators TR zu verhindern.
Wird die Ausgleichsoperation für die Batteriezellen ausgeführt, ist es möglich, eine Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Energie und eine Batteriezelle mit der niedrigsten elektrischen Energie zu unterscheiden, und dies unter Verwendung von Information über die Ladezustände und die Leistungsfähigkeitszustände der Batteriezellen, die von einem Ausgleichsalgorithmus eines Batteriemanagementsystems (nicht dargestellt) bereitgestellt wird.
In den obenstehenden Ausführungsformen wurde beschrieben, dass die elektrische Energie aus der Batteriezelle rückgewonnen wird, die die höchste elektrische Energie hat, und die rückgewonnene elektrische Energie an die Batteriezelle geliefert wird, die die niedrigste elektrische Energie hat. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt. Beispielsweise kann basierend auf dem oben beschriebenen Prinzip zum Batteriezellenausgleich elektrische Energie von mehreren Batteriezellen rückgewonnen werden, die mit einer höheren elektrischen Energie als die anderen Batteriezellen geladen sind, und die rückgewonnene elektrische Energie kann an mehrere Batteriezellen geliefert werden, die mit einer niedrigeren elektrischen Energie als die anderen Batteriezellen geladen sind.
15 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise ist zwischen einem Endanschluss der ersten Spule L1 des Transformators und einem Anschluss des ersten Kondensators Cs1 aus 10 ein Wahlschalter SW_S derart angeschlossen, dass die erste Spule L1 wahlweise parallel zum ersten Kondensator Cs1 geschaltet wird.
Der Wahlschalter SW_S ist ausgeschaltet, wenn keine elektrische Energie zwischen den Batteriemodulen übertragen werden muss, und innerhalb des ersten Batteriemoduls 800_1 wird eine getrennte Ausgleichsoperation für elektrische Energie ausgeführt. Der Wahlschalter SW_S ist dagegen eingeschaltet, wenn nach der Ausführung der getrennten Ausgleichsoperation für elektrische Energie zwischen den Batteriemodulen 800_1 und 800_2 elektrische Energie ausgetauscht werden muss.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung führt die Batteriezellen-Ausgleichsschaltung auf dem Batteriezellenmodul eine Ausgleichsoperation aus, und dies unter Verwendung der Schalterelemente und der Reihenresonanzschaltung, was es ermöglicht, die Größe eines Produkts und den Preis der Batteriezellen-Ausgleichsschaltung zu verringern.
Außerdem wird beim Ausführen der Ausgleichsfunktion auf den mehreren Batteriezellen die Ausgleichsfunktion durch Schalter ausgeführt, die eine niedrige interne Spannung haben, wodurch es möglich ist, eine stabile Ausgleichsoperation sicherzustellen.
Außerdem wird beim Ausführen einer Ausgleichsoperation auf dem Batteriezellenmodul mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen die Ausgleichsoperation zu normalen Betriebszeiten mit niedriger Geschwindigkeit ausgeführt, wodurch es möglich ist, den Ausgleichswirkungsgrad zu verbessern. Wird ein Ausgleich mit hoher Geschwindigkeit gefordert, kann der Wert des Kondensators oder der Spule angepasst werden, um die Ausgleichsgeschwindigkeit zu verbessern.
Außerdem gilt, dass wenn die Ausgleichsfunktion auf den mehreren Batteriezellen ausgeführt wird und die mehreren Batteriezellenmodulen, die in den mehreren Batteriemodulen bereitgestellt werden, in Reihe geschaltet sind, die Transformatoren verwendet werden können, um die elektrischen Energien der Kondensatoren der jeweiligen Batteriezellenmodule auf demselben Niveau zu verändern. Somit kann der Zellenausgleich zwischen den jeweiligen Batteriemodulen wirksam ausgeführt werden.
Außerdem können beim Ausführen der Ausgleichsfunktion auf den mehreren Batteriezellen Batteriezellen frei als Ausgleichsziele ausgewählt werden. Somit kann die Ausgleichsoperation von einer Batteriezelle mit der höchsten elektrischen Energie zu einer Batteriezelle mit der niedrigsten elektrischen Energie effizient ausgeführt werden.
Außerdem wird beim Ausführen der Ausgleichsfunktion auf den mehreren Batteriezellen elektrische Energie über die LC-Reihenresonanzschaltung übertragen. Somit kann ein Energieverlust verringert werden, der durch Schaltvorgänge und eine Erwärmung verursacht wird.
Obwohl zur Veranschaulichung eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist für den Fachmann erkennbar, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Ersetzungen möglich sind, ohne den Schutzumfang und den Geist der Erfindung zu verlassen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist.

Claims

Batteriezellen-Ausgleichsschaltung, Folgendes umfassend: ein Batteriezellenmodul, das mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst; eine Reihenresonanzschaltung, die eine Spuleneinheit und eine Kondensatoreinheit umfasst, die in Reihe geschaltet sind, um elektrische Energie zu speichern, die aus einer entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnen wurde, und die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern; und eine Schaltereinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Rückgewinnungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die aus der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie in der Kondensatoreinheit der Reihenresonanzschaltung zu speichern, und einen Zuführungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die gespeicherte elektrische Energie an die entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere von der Spuleneinheit und der Kondensatoreinheit eine veränderliche Kapazität haben.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spuleneinheit Folgendes umfasst: mehrere Spulen; und einen oder mehrere Schalter, die dafür eingerichtet sind, eine beliebige Zahl Spulen von den mehreren Spulen zueinander parallel zu schalten.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spuleneinheit Folgendes umfasst: eine erste Spule; eine zweite Spule; und einen 21ten Schalter, der dafür eingerichtet ist, einen Schaltvorgang derart auszuführen, dass die erste und zweite Spule parallel zueinander geschaltet oder voneinander getrennt sind.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinheit Folgendes umfasst: mehrere Kondensatoren; und einen oder mehrere Schalter, die dafür eingerichtet sind, eine beliebige Zahl Kondensatoren von den mehreren Kondensatoren zueinander parallel zu schalten.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Kondensatoreinheit Folgendes umfasst: einen ersten Kondensator; einen zweiten Kondensator; und einen 22ten Schalter, der dafür eingerichtet ist, einen Schaltvorgang derart auszuführen, dass der erste und zweite Kondensator parallel zueinander geschaltet oder voneinander getrennt sind.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Schaltereinheit Folgendes umfasst: eine erste Schaltereinheit, die mehrere Schalter umfasst, die zwischen einem ersten gemeinsamen Knoten und jeweils einem Anschluss der mehreren Batteriezellen geschaltet sind; eine zweite Schaltereinheit, die mehrere Schalter umfasst, die zwischen einem zweiten gemeinsamen Knoten und dem jeweils anderen Anschluss der mehreren Batteriezellen geschaltet sind; und eine dritte Schaltereinheit, die Folgendes umfasst: Schalter, die zwischen dem ersten gemeinsamen Knoten und beiden Anschlüssen der Reihenresonanzschaltung geschaltet sind, und Schalter, die zwischen dem zweiten gemeinsamen Knoten und beiden Anschlüssen der Reihenresonanzschaltung geschaltet sind.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 7, wobei die jeweiligen Schalter der ersten bis dritten Schaltereinheit einen oder mehrere SPST-Schalter (single pole single throw; einpolige Einschalter) und einen MOS-Transistor umfassen.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei die von der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie elektrische Energie umfasst, die von einer Batteriezelle rückgewonnen wurde, die von den Batteriezellen des Batteriezellenmoduls die höchste elektrische Energie speichert.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Batteriezelle, die die gespeicherte elektrische Energie erhält, eine Batteriezelle umfasst, die von den Batteriezellen des Batteriezellenmoduls die niedrigste elektrische Energie speichert.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung, die eine LC-Reihenresonanzschaltung verwendet und die mehrere Batteriemodule umfasst, wobei jedes der Batteriemodule Folgendes umfasst: ein Batteriezellenmodul, das mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen umfasst; eine Reihenresonanzschaltung, die dafür eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern, die aus einer entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnen wurde, und die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern; eine Schaltereinheit, die dafür eingerichtet ist, einen Rückgewinnungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die aus der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie in einem Kondensator der Reihenresonanzschaltung zu speichern, und einen Zuführungspfad für elektrische Energie bereitzustellen, um die gespeicherte elektrische Energie an eine entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls zu liefern; und eine Spule eines Transformators, die parallel zum Kondensator geschaltet ist, wobei die Batteriezellenmodule in Reihe geschaltet sind, und die Spulen, die in den Reihenresonanzschaltungen enthalten sind, magnetisch gekoppelt sind, so dass die Niveaus der elektrischen Energien, die in den Kondensatoren gespeichert oder aus ihnen entladen werden, auf demselben Niveau verändert werden.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 11, wobei die Schaltereinheit Folgendes umfasst: eine erste Schaltereinheit, die mehrere Schalter umfasst, die zwischen einem ersten gemeinsamen Knoten und jeweils einem Anschluss der mehreren Batteriezellen geschaltet sind; eine zweite Schaltereinheit, die mehrere Schalter umfasst, die zwischen einem zweiten gemeinsamen Knoten und dem jeweils anderen Anschluss der mehreren Batteriezellen geschaltet sind; und eine dritte Schaltereinheit, die Folgendes umfasst: mehrere Schalter, die zwischen dem ersten gemeinsamen Knoten und beiden Anschlüssen der Reihenresonanzschaltung geschaltet sind, und mehrere Schalter, die zwischen dem zweiten gemeinsamen Knoten und beiden Anschlüssen der Reihenresonanzschaltung geschaltet sind.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 12, wobei die jeweiligen Schalter der ersten bis dritten Schaltereinheit einen oder mehrere SPST-Schalter und einen MOS-Transistor umfassen.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 11, wobei die Schaltereinheit einen Pfad bildet, um alternierend in beide Richtungen eine Spannung auf die Spule des Transformators zu legen, wenn die von der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie gespeichert wird und die gespeicherte elektrische Energie an die entsprechende Batteriezelle des Batteriezellenmoduls geliefert wird.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 11, wobei die Spule des Transformators vom Kondensator getrennt ist, wenn im entsprechenden Batteriemodul ein getrennter Ausgleichsvorgang für die elektrische Energie ausgeführt wird, und mit dem Kondensator verbunden ist, wenn nach dem getrennten Ausgleichsvorgang für die elektrische Energie zwischen den Batteriemodulen ein Austausch von elektrischer Energie erforderlich ist, und dies durch einen Wahlschalter.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 11, wobei jede der Batteriezellen eine um einen vorgegebenen Wert größere Kapazität als der Kondensator hat.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 11, wobei die von der entsprechenden Batteriezelle des Batteriezellenmoduls rückgewonnene elektrische Energie elektrische Energie umfasst, die von einer Batteriezelle rückgewonnen wurde, die von den Batteriezellen des Batteriezellenmoduls die höchste elektrische Energie speichert.
Batteriezellen-Ausgleichsschaltung nach Anspruch 11, wobei die Batteriezelle, die die gespeicherte elektrische Energie erhält, eine Batteriezelle umfasst, die von den Batteriezellen des Batteriezellenmoduls die niedrigste elektrische Energie speichert.