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Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung mit darin verschalteten Batterieeinheiten zur Ausgabe eines regelbaren Gesamtstroms dieser Batterieeinheiten an einem Ausgang der Schaltungsanordnung, mit einer an den Ausgang angeschlossenen Parallelschaltung mehrerer Strompfade, in denen die Batterieeinheiten verschaltet sind.
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Stand der Technik
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Es besteht ein wachsender Bedarf nach Batteriesystemen aus parallel- und in Serie geschalteten Batterieeinheiten für Hochleistungs- und/oder Hochenergie-Anwendungen. Mittels der Schaltungsanordnung werden derartige Batteriesysteme bereitgestellt. Unter einer Batterieeinheit ist dabei eine einzelne Batteriezelle als kleinste mögliche Einheit oder eine Einheit aus mehreren miteinander verschalteten Batteriezellen zu verstehen. Das Parallelschalten von Batterieeinheiten oder von Reihenschaltungen mit mehreren dieser Batterieeinheiten ist dabei erforderlich, um die von der Anwendung geforderte Leistungs- oder Energiedichte zu erreichen. Nachteilig bei einfachen Parallelschaltungen ist jedoch, dass zwischen den parallelgeschalteten Batterieeinheiten bzw. zwischen den parallel geschalteten Reihenschaltungen Ausgleichsströme fließen, die die Lebensdauer der Batterieeinheiten negativ beeinflussen.
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Einsatzgebiete für derartige Batteriesysteme sind stationäre Anwendungen wie in Windkraftanlagen und Notstromsystemen, aber auch in Fahrzeugen wie zum Beispiel Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Alle diese Anwendungen stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit des Batteriesystems. Ein vollständiger Ausfall der Spannungsversorgung durch das Batteriesystem kann zu einem Ausfall der gesamten Anwendung führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen und bietet den Vorteil, dass sich die Stromregelung des Stromanteils jedes einzelnen Strompfades zum Erreichen eines vorgegebenen Gesamtstroms am Ausgang der Schaltungseinrichtung mit relativ einfachen Mitteln realisieren lässt.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass in jedem dieser Strompfade: (i) eine DC/DC-Wandlereinrichtung (Gleichspannungs-Wandlereinrichtung) mit ihrem Ausgang verschaltet ist, wobei eine der Batterieeinheiten oder eine Serienschaltung von mehreren der Batterieeinheiten am Eingang dieser DC/DC-Wandlereinrichtung verschaltet ist und (ii) mindestens eine weitere der Batterieeinheiten oder eine Serienschaltung mehrerer weiterer der Batterieeinheiten mit der DC/DC-Wandlereinrichtung in Serie geschaltet ist. Jedem Strompfad der Schaltungsanordnung ist zur Bildung eines Regelkreises eine Regeleinrichtung zur Ausgabe eines jeweiligen Stellwertes an die DC/DC-Wandlereinrichtung dieses Strompfades zugeordnet.
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Bevorzugt weisen die DC/DC-Wandlereinrichtungen die Regeleinrichtung sowie die anderen Komponenten des entsprechenden Regelkreises integral auf. Derartige DC/DC-Wandlereinrichtungen sind stromregelbare DC/DC-Wandlereinrichtungen. Jede dieser stromregelbaren DC/DC-Wandlereinrichtungen bekommt einfach nur ihre individuelle Sollstromvorgabe Isoll zugewiesen.
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Bei der vorliegenden Schaltungsanordnung ist der jeweilige Strompfad mit der DC/DC-Wandlereinrichtung die Regelstrecke des jeweiligen Regelkreises und die zugeordnete Regeleinrichtung der Regler des jeweiligen Regelkreises. Jeder einzelnen der Regeleinrichtungen wird von einer zentralen Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Schaltungsanordnung der jeweilige Stromsollwert dieses Strompfades vorgegeben (Sollstromvorgabe). Der Stromsollwert dieser Sollstromvorgabe ergibt sich beispielsweise aus einem ermittelten Gesamtstrom am Ausgang der Schaltungsanordnung oder aus der Spannung am Ausgang.
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Die Schaltungsanordnung weist insbesondere Signalverbindungen auf, über die die jeweilige Regeleinrichtung zur Ausgabe der Stellgröße mit der zugeordneten DC/DC-Wandlereinrichtung verbunden ist.
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Mit Vorteil ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung Signalverbindungen aufweist, über die eine am ausgangsseitigen Ende des zugeordneten Strompfades mittels eines Messabgriffs abgreifbare Messgröße der jeweiligen Regeleinrichtung übermittelbar ist. Dabei wird die Messgröße bevorzugt mittels einer den Messabgriff aufweisenden Messeinrichtung abgegriffen. Diese Messeinrichtungen sind Teil der Schaltungsanordnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jede der DC/DC-Wandlereinrichtung mindestens einen Schalter aufweist und dazu eingerichtet ist, mittels dieses mindestens einen Schalters wahlweise die an ihrem Eingang angeschlossene Batterieeinheit oder Serienschaltung von mehreren Batterieeinheiten in einen Abschnitt des entsprechenden Strompfades aufzunehmen oder diesen Abschnitt des Strompfades alternativ kurzzuschließen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Regeleinrichtungen als digitale Regeleinrichtungen ausgebildet. Jede der digitalen Regeleinrichtungen weist dabei mit Vorteil einen Mikrocomputer (µC) und/oder einen digitalen Signalprozessor (DSP) und/oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array) auf. Ein Field Programmable Gate Array ist eine feldprogrammierbare (Logik-)Gatter-Anordnung. Bei Nutzung einer digitalen Regeleinrichtung sind die Signalverbindungen/Signalleitungen als Datenleitungen ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung mindestens einen Schalter zur Bildung eines Vorladeschützes auf, der zwischen den DC/DC-Wandlereinrichtungen der Strompfade und dem Ausgang der Schaltungsanordnung angeordnet ist.
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Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung eine kapazitive Einrichtung auf, die am Ausgang der Schaltungsanordnung verschaltet ist und einen Zwischenkreiskondensator CZK darstellt.
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Weiterhin ergibt sich ein Verfahren zur Regelung eines von einer Schaltungsanordnung an deren Ausgang ausgegebenen Stroms, wobei diese Schaltungsanordnung als vorstehend genannte Schaltungsanordnung ausgebildet ist und jede der DC/DC-Wandlereinrichtungen dieser Schaltungsanordnung zur Regelung des Stroms am Ausgang mittels einer jeweiligen Sollstromvorgabe angesteuert wird. Dabei ist vorgesehen, dass jede der DC/DC-Wandlereinrichtungen dieser Schaltungsanordnung zur Regelung des Stroms am Ausgang mittels einer Stellgröße, insbesondere mittels einer jeweiligen Sollstromvorgabe, angesteuert wird. Der entsprechende Regelkreis weist eine Regeleinrichtung auf, die diese Sollstromvorgabe an die DC/DC-Wandlereinrichtungen ausgibt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Abbildungen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Schaltungsanordnung mit darin verschalteten Batterieeinheiten zur Ausgabe eines regelbaren Gesamtstroms dieser Batterieeinheiten an einem Ausgang der Schaltungsanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine Schaltungsanordnung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
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4 eine Schaltungsanordnung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schaltungsanordnung 10 zur Bildung eines Batteriesystems aus mehreren miteinander parallel und in Serie verschalteten Batterieeinheiten 12 und zur Ausgabe eines regelbaren Gesamtstroms Iges dieser Batterieeinheiten 12 an einem Ausgang 14 der Schaltungsanordnung 10. Die Schaltungsanordnung 10 weist dazu eine Parallelschaltung mehrerer Strompfade 16, 18 auf, in denen die Batterieeinheiten 12 verschaltet sind. Die Strompfade 16, 18 sind durch die Parallelschaltung jeweils an den Ausgang 14 der Schaltungsanordnung 10 angeschlossen. In jedem der Strompfade 16, 18 ist eine DC/DC-Wandlereinrichtung 20 angeordnet, die mit ihrem Ausgang 22 im jeweiligen Strompfad 16, 18 verschaltet ist. Am Eingang 24 der jeweiligen DC/DC-Wandlereinrichtung 20 ist eine Serienschaltung 26 von mehreren der Batterieeinheiten 12 verschaltet. Weiterhin ist in jedem der Strompfade 16, 18 mindestens eine weitere der Batterieeinheiten 12, genauer gesagt eine Serienschaltung 28 mehrerer der Batterieeinheiten 12, angeordnet. Diese Serienschaltung 28 ist im jeweiligen Strompfad 16, 18 mit der jeweiligen DC/DC-Wandlereinrichtung 20 in Serie geschaltet.
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Die DC/DC-Wandlereinrichtungen 20 des Ausführungsbeispiels der 1 sind in Form von Abwärtswandlern (Tiefsetzstellern) mit einer Serienschaltung aus einem Schalter 30 und einem induktiven Bauelement 32 ausgebildet. Zusätzlich ist dabei ein weiterer Schalter 34 in einem parallel zu der Serienschaltung 26 der Batterieeinheiten 12 verlaufenden Strompfad vorgesehen, mit dem der Ausgang 22 der DC/DC-Wandlereinrichtung 20 kurzgeschlossen werden kann. Die DC/DC-Wandlereinrichtung 20 kann mittels dieser beiden Schalter 30, 34 wahlweise die an ihrem Eingang 24 angeschlossenen Batterieeinheiten 12 in einen Abschnitt 36 des entsprechenden Strompfades 16, 18 aufnehmen oder diesen Abschnitt 36 des Strompfades 16, 18 alternativ kurzschließen.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist weiterhin pro Strompfad 16, 18 je eine Regeleinrichtung 38 zur Ausgabe eines jeweiligen Stellwertes an die DC/DC-Wandlereinrichtungen 20 dieses Strompfades 16, 18 auf. Es ergibt sich also pro Strompfad 16, 18 ein Regelkreis. In 1 ist jedoch nur einer dieser Regelkreise und somit auch nur eine dieser Regeleinrichtungen 38 gezeigt. Da es sich bei den DC/DC-Wandlereinrichtungen 20 um stromregelbare DC/DC-Wandlereinrichtungen 20 handelt, ergibt sich der Stellwert aus dem gemessenen Iststrom des Strompfades 16, 18 und einer jeweiligen Sollstromvorgabe Isoll. Diese wird von einer (nicht gezeigten) zentralen Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Schaltungsanordnung 10 vorgegeben.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist Signalverbindungen 40 auf, über die eine am ausgangsseitigen Ende 42 des jeweiligen Strompfades 16, 18 mittels einer Messeinrichtung 44 abgreifbare Messgröße I der Regeleinrichtung 38 übermittelbar ist. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 10 weitere Signalverbindungen 46 auf, über die die jeweilige Regeleinrichtung 38 zur Ausgabe der Stellgröße mit der zugeordneten DC/DC-Wandlereinrichtung 20 verbunden ist. Die Sollstromvorgaben Isoll beeinflussen dann das Schalten der Schalter 30, 34 der einzelnen DC/DC-Wandlereinrichtungen 20. Die Regeleinrichtung 38 ist im gezeigten Beispiel als digitale Regeleinrichtung 48 ausgebildet. Dementsprechend sind die Signalverbindungen 40, 46 als Datenleitungen ausgebildet.
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Am Ausgang 14 der Schaltungsanordnung 10 ist eine kapazitive Einrichtung 50 verschaltet, die einen Zwischenkreiskondensator CZK darstellt. Die Schaltungsanordnung 10 weist weiterhin eine Schaltervorrichtung 52 auf, die zwischen den DC/DC-Wandlereinrichtungen 20 der Strompfade 16, 18 und dem Ausgang 14 der Schaltungsanordnung 10 angeordnet ist. Diese Schaltervorrichtung 52 bildet ein Vorladeschütz (Hauptschütz S) zum Vorladen der kapazitiven Einrichtung 50, also des Zwischenkreiskondensators CZK. Diese Schaltervorrichtung 52 bildet ein gemeinsames Schütz (Hauptschütz S) der Parallelschaltung aller Strompfade 16, 18. Sie ist daher in einem Pfad zwischen einem Knotenpunkt 54 der einzelnen Strompfade 16, 18 und dem Ausgang 14 der Schaltungsanordnung 10 angeordnet.
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Die 2 bis 4 zeigen weitere Ausführungsformen der Schaltungsanordnung 10, die im Wesentlichen der Schaltungsanordnung aus 1 entsprechen, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Bei der Schaltungsanordnung der 2 weist jeder der Strompfade 16, 18 eine eigene Schaltervorrichtung 52 auf. Jede dieser Schaltervorrichtungen 52 ist im jeweiligen Strompfad 16, 18 zwischen der entsprechenden DC/DC-Wandlereinrichtung 20 des Strompfades 16, 18 und dem gemeinsamen Knotenpunkt 54 der Strompfade 16, 18 angeordnet. Als weiterer Unterschied zur Schaltungsanordnung 10 der 1 ist am Eingang 24 einer jeden DC/DC-Wandlereinrichtung 20 nur eine einzelne Batterieeinheit 12 angeschlossen.
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Bei der Darstellung der 3 und 4 ist der Einfachheit halber nur einer der Strompfade 16 der Schaltungsanordnung 10 eingezeichnet. Die Schaltungsanordnungen 10 weisen jedoch immer mehrere Strompfade 16, 18 auf. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist bei mindestens einem der Strompfade 16, 18 der in 3 eingezeichneten Schaltungsanordnung 10 ein zusätzlicher Stromzweig 56 zwischen dem mit der Serienschaltung 28 verbundenen Anschluss der entsprechenden DC/DC-Wandlereinrichtung 20 und dem Ausgang 14 der Schaltungsanordnung 10 vorgesehen. In diesem Stromzweig 56 ist eine Serienschaltung einer weiteren Schaltvorrichtung 58 und eines resistiven Bauelements 60 vorhanden. Es ergibt sich eine Vorladeschaltungsanordnung 62 mit den Elementen 52, 58, 60. Dadurch kann der Zwischenkreiskondensators CZK besonders fein regelbar vorgeladen werden.
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Alternativ ist der entsprechende Strompfad 16, 18 auch mit einer einen Schalter 64 aufweisenden Überbrückungseinrichtung zum Überbrücken der DC/DC-Wandlereinrichtung 20 versehen. Weiterhin ist in der Schaltungsanordnung 10 eine Vorladeschaltungsanordnung 62 parallel zum gemeinsames Schütz 52 der Parallelschaltung aller Strompfade 16, 18 implementiert. Eine entsprechende Schaltungsanordnung 10 ist in 4 gezeigt.
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Im Fall der Realisierung gemäß 4 wird zum Vorladen die Überbrückungseinrichtung mit dem Schalter 64 zunächst eingeschaltet und die Vorladung von CZK durch schließen der weiteren Schaltvorrichtung 58 realisiert. Danach wird das Takten der Schalter 30, 34 der DC/DC-Wandlereinrichtung 20 nach Öffnen des Schalters 64 der Überbrückungseinrichtung der Zwischenkreis weiter bis auf den gewünschten Sollwert aufgeladen. Anschließend werden die Schaltervorrichtungen (Schütze) 52 der anderen parallel zu schaltenden Strompfade 18 geschlossen und diese Strompfade 18 damit als Stromquellen über die DC/DC-Wandlereinrichtungen 20 zugeschaltet.
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Bei der in 4 gezeigten Schaltungsanordnung 10 des Vorladens kann die jeweilige DC/DC Wandlereinrichtung (das jeweilige Wandlermodul) 20 an beliebiger Stelle im Strompfad 16, 18 angeordnet sein und ist nicht notwendigerweise das dem ausgangsseitigen Ende 42 nächste Bauelement des entsprechenden Strompfades 16, 18. Die Vorladeschaltungsanordnung 62 wird aber immer an dem Modul angeschlossen, das dem ausgangsseitigen Ende 42 des Strompfades 16, 18 am nächsten ist.
