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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung eines von einem Batteriestrang abgegebenen Stroms.
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Stand der Technik
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Batteriesysteme finden im zunehmenden Maße einen Einsatz als Energiespeicher für sowohl stationäre als auch mobile Anwendungen. Als Beispiele für den stationären Einsatz sind Windkraftanlagen und Notstromsysteme und als Beispiel für den mobilen Einsatz sind Elektro- und Hybridfahrzeuge zu nennen.
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Sehr häufig finden dabei Batteriesysteme Verwendung, die auf Lithium-Ionen-Batteriezellen basieren. Dazu wird in der Regel eine Vielzahl von Batteriezellen zu Batteriemodulen in Reihe geschaltet. Durch eine Reihenschaltung von mehreren Batteriemodulen entstehen Batteriestränge. In leistungsstarken Batteriesystemen, im Folgenden auch als Batterien bezeichnet, werden häufig mehrere Batteriestränge parallel geschaltet.
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Für elektrische Energiespeicher mit großer Energiedichte werden in besonderem Maße Batteriezellen mit geringen Innenwiderständen verwendet, die relativ große Leistungen bei moderater Erhitzung abgeben können. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien besitzen auf Grund eines sehr geringen Innenwiderstands die Eigenschaft, im Vergleich zu bisher bekannten Batterien sehr hohe Ströme abgeben zu können. So übersteigt ein von einer Lithium-Ionen-Batterie abgegebenen Kurzschlussstrom denjenigen von bisher bekannten Batterien um ein Mehrfaches.
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Batteriebasierende Energiespeicher eignen sich in besonderem Maße für Netze mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen wie Automobilen oder U-Booten bestehen. Um die Verfügbarkeit dieser Netze im Fehlerfall einzelner Verbraucher nicht zu beeinträchtigen, ist es notwendig, Fehlerquellen im Kurzschlussfall schnell und sicher vom Netz zu trennen. Üblicherweise werden dazu die einzelnen Verbraucher über Schmelzsicherungen oder Leistungsschalter mit elektromagnetisch betätigter Überstromerkennung am Netz betrieben. Um das Auslösen dieser Schutzelemente zu ermöglichen, muss das Batteriesystem als Stromquelle in einem Netz in der Lage sein, den erforderlichen Kurzschlussstrom zu liefern. Bei niederimpedanten Batteriesystemen ist die Bereitstellung der minimalen Stromstärke zum Auslösen der Schutzelemente unproblematisch. Kritisch ist jedoch die Eigenschaft derartiger Batteriesysteme, im Kurzschlussfall extrem schnell extrem hohe Kurzschlussströme zu liefern. Eine schnelle, vollständige Trennung von Netz und Batteriesystem ist in diesem Fall aufgrund des Verlustes der Verfügbarkeit von Energie nicht zielführend. Ein Schutz vor Überlastung des Netzes kann beispielsweise durch eine entsprechend robuste Auslegung der Netze mit entsprechend dimensionierten Schutzelementen erfolgen. Alternativ können Einrichtungen eingesetzt werden, die ein Ansteigen des Stromes im Fehlerfall bereits an der Stromquelle, d.h. der Batterie, begrenzen.
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Aus dem Dokument
WO-2010/089338 A2 ist eine Vorrichtung bekannt, welche zum Begrenzen von DC-Strömen in Hochenergie-Gleichstromnetzen geeignet ist. Die Kurzschlussschutzvorrichtung verwendet einen ohmschen Widerstand zur Begrenzung der Ströme. Dieser Widerstand wird mittels einer schnellen Stromüberwachung und Leistungshalbleitern in den Energiepfad geschaltet. Die Begrenzung eines von einem Batteriestrang abgegeben Stromes erfolgt rein digital durch die Zuschaltung/Überbrückung des Widerstands.
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Aus dem Dokument
US 2002/0175644 A1 ist eine Vorrichtung zum Steuern einer dreiphasigen elektrischen Maschine bekannt, welche in Teileinheiten schaltbare Energiespeicher in Form von von zu- und wegschaltbaren Gleichspannungsquellen sowie einen nachgeschalteten Wechselrichter aufweist. Die Zu- und Wegschaltung von Gleichspannungsquellen erfolgt über ein Steuergerät. Eine Schutzvorrichtung zur Begrenzung des von dem Energiespeicher abgegebenen Stroms im Fehlerfall ist in dem Dokument
US 2002/0175644 A1 nicht beschrieben.
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Das Dokument
WO 2008/055493A1 beschreibt ein U-Boot-Gleichstromnetz mit Hochenergiespeichern. Dabei erfolgt die Verschaltung von Batteriezellen und Batteriemodulen so induktivitätsarm wie möglich. Es wird eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung von Batteriesträngen beschrieben, welche Messdaten an eine Steuereinrichtung übermittelt und geeignet ist, einen Batteriestrang auszuschalten.
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Ferner sind Halbleiter als stromanstiegsbegrenzende Schutzelemente vorgesehen. Eine Steuer- oder Regelung eines im Fehlerfall auftretenden Kurzschlussstroms wird nicht beschrieben.
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Das Dokument
US 6 246 214 B1 beschreibt eine Schutzschaltung für das Aufladen einer Batterie. Diese Schutzschaltung beinhaltet einen Feldeffekttransistor, der den Stromfluss beim Auf- beziehungsweise Entladen der Batterie begrenzen kann. Der Schaltkreis enthält zusätzlich ein Entladungsreguliersystem, das gekoppelt ist an den Feldeffekttransistor und welches in der Lage ist, einen zu starken Stromfluss im System festzustellen und daraufhin den Feldeffekttransistor ein Signal zu übermitteln, den Stromfluss zu begrenzen. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn in der Batterie ein Kurzschluss vorliegt. Die Verwendung eines Stromwandlers zu diesem Zweck wird nicht beschrieben.
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Das Dokument
US 6 815 930 B2 beschreibt eine Schutzschaltung für eine Batteriezelle. Die Schutzschaltung besteht u. a. aus einem MOSFET-Transistor, der mit der zu schützenden Batteriezelle in Reihe geschaltet ist. Wenn in der zu schützenden Batteriezelle eine Spannung gemessen wird, die niedriger ist als eine vorgegebene Spannung, dann ändert der MOSFET-Transistor seinen Zustand und begrenzt dadurch den Stromfluss durch die Batteriezelle.
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Ferner beschreibt das Dokument
US 2011/0285538 A1 eine Apparatur und eine Methode, eine Abnormalität in einem Ausgleichsschaltkreis für Batteriezellen festzustellen.
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Das Dokument
US 2002/0079865 A1 beschreibt eine Schutzschaltung für ein Ladegerät und ein aufladbares Element wie beispielsweise einer wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kurzschlussschutzvorrichtung zur Begrenzung eines von einem wenigstens eine Batteriezelle umfassenden Batteriestrang abgebbaren Stroms IE, wobei der von dem Batteriestrang abgebbare Strom IE durch die Kurzschlussschutzvorrichtung auf einen kontrollierten Ausgangsstrom IA begrenzbar und der Ausgangsstrom IA über zwei mit der Kurzschlussschutzvorrichtung verbindbare Netzklemmen durch ein Verbrauchernetz führbar ist, wobei durch eine Verbindung der Netzklemmen mit dem Verbrauchernetz ein erster Stromkreislauf über den Batteriestrang, die Netzklemmen und das Verbrauchernetz ausbildbar ist, wobei in dem ersten Stromkreislauf ein Schaltelement angeordnet ist, mit dem der Strom IE zur Begrenzung auf den Ausgangsstrom IA unterbrechbar ist, wobei die Kurzschlussschutzvorrichtung weiterhin wenigstens ein derartig angeordnetes Mittel zur Stromerfassung aufweist, dass durch dieses die Höhe des Ausgangsstroms IA ermittelbar ist, und wobei die Kurzschlussschutzvorrichtung ferner eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Höhe des Ausgangsstroms IA mit einem vorgebbaren Sollwert IS aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussschutzvorrichtung ferner eine Induktivität aufweist, die in Serie mit dem Schaltelement und verbrauchernetzseitig zu diesem angeordnet ist, dass die Kurzschlussschutzvorrichtung eine Induktivitätsstromregeleinrichtung aufweist, welcher ein Signal von der Vergleichseinrichtung zuführbar ist und über welche der durch die Induktivität fließende Ausgangsstrom IA durch ein Ansteuern des Schaltelements regulierbar ist, und dass die Kurzschlussschutzvorrichtung ferner eine Brückenvorrichtung in Form eines Schalters oder einer Diode aufweist, die derart angeordnet ist, dass im Falle einer Unterbrechung des Stroms IE durch das Schaltelement zumindest eine Batteriezelle des Batteriestrangs überbrückbar und ein zweiter Stromkreislauf für den Ausgangsstrom IA über die Netzklemmen das Verbrauchernetz und die Induktivität schließbar ist und dass der Sollwert IS auf einen vorgebbaren maximalen Wert eines Kurzschlussstroms IK begrenzbar ist.
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Ein Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass durch diese ein strombegrenzender Stromwandler ausgebildet wird, durch welchen zu der Betriebssicherheit eines Gleichspannungsnetzes in Form einer schnellen Kurzschluss- und Überlaststrombegrenzung beigetragen werden kann. Desweiteren können Überlastströme, die auch nur geringfügig über einem maximalen Betriebsstrom liegen, sicher erkannt und begrenzt werden. Weiterhin kann ein derartig abgesichertes Verbrauchernetz auch im Kurzschluss- oder Überlastfall weiterhin mit Energie aus dem Batteriestrang versorgt werden.
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Dass durch die vorbeschriebene Kurzschlussschutzvorrichtung ein Stromwandler ausgebildet wird, bietet weiterhin den Vorteil, dass ein Ausgangsstrom IA für einen Batteriestrang durch einen vorgebbaren Sollwert IS einstellbar ist. Somit kann in einem Batteriesystem ein kontrolliertes Parallelschalten von Strängen unterschiedlicher Spannungslage zur gemeinsamen Energielieferung erfolgen. Batteriestränge mit unterschiedlichem Ladezustand SOC (State of Charge) oder unterschiedlichem Alterungszustand SOH (State of Health) können auf diese Weise als voneinander unabhängige Stromquellen parallel betrieben werden. Ferner können Batteriesträngen unterschiedlicher Spannungslage zum Ausgleich von Ladungszuständen (Balancing) unterschiedliche Leistungen entnommen werden. Der Ausgangsstrom IA eines Batteriestrangs mit Kurzschlussschutzvorrichtung ist nicht nur auf einen maximalen, sondern auch auf einen minimalen Ausgangsstrom IA begrenzbar.
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Ferner können Konfigurationsfehler innerhalb des schaltbaren und umkonfigurierbaren Batteriesystems durch die Kurzschlussschutzvorrichtung zerstörungsfrei abgefangen werden. Bei einer bidirektionalen Ausführung des Stromwandlers ist zudem der Ladestrom begrenzbar. Darüber hinaus eignet sich die Kurzschlussschutzvorrichtung gut zur Absicherung von Batteriesträngen mit hoher Eigenimpedanz. Ferner kann ein von einem Batteriestrang abzugebender Sollwert IS durch ein Verbrauchernetz gesteuert werden oder eine Limitierung des maximal abgegebenen Ausgangstromes IA erfolgen. Durch eine Limitierung des Ausgangstromes IA kann zudem eine Limitierung der damit verbundenen Leistung, beispielsweise zur Einhaltung technischer Bestimmungen oder technischen Vorgaben in gesetzlicher Bestimmungen, beispielsweise einer Leistungsabgabe ≤ 100KW gemäß „Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG 2012“, erfolgen.
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Vorteilhaft ist die Kurzschlussschutzvorrichtung derart ausgebildet, dass durch die Induktivität, die Induktivitätsstromregeleinrichtung, das Schaltelement und die Brückenvorrichtung ein Abwärts-Stromwandler, auch Buck-Converter genannt, ausgebildet ist, welcher zur Glättung des Ausgangsstroms IA einen insbesondere zwischen den Netzklemmen angeordneten Kondensator aufweist. Eine derartige Kurzschlussschutzvorrichtung ist mit wenigen Bauelementen in einfacher Weise zu realisieren.
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Im Betrieb wird die Kurzschlussschutzvorrichtung eingangsseitig mit einem Strom IE gespeist. Der Strom IE wird durch die Kurzschlussschutzvorrichtung begrenzt und als Ausgangsstrom IA einem Verbrauchernetz zugeführt. Dabei kann die Kurzschlussvorrichtung nach dem Prinzip eines Buck-Converters im Wesentlichen bestehen aus einem Schaltelement, einer Induktivität, einem Brückenelement sowie einer Induktivitätsstromregeleinrichtung, welche den Schaltzustand des Schaltelements steuert. Eine Unterbrechung des Stroms IE durch das Schaltelement führt dazu, dass die Induktivität ihre in Form eines elektrischen Feldes gespeicherte Energie bis zum Abbau des Feldes in Form eines fortbestehenden, mit der Zeit abnehmenden Spulenstromes abgibt. Der Spulenstrom fließt in einem geschlossenen Stromkreislauf von der Induktivität als Ausgangstrom IA über die Netzklemmen mit dem dazwischen liegenden Verbrauchernetz über die Brückenvorrichtung zurück zur Induktivität.
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Ein Schließen des Schaltelements führt zu einem erneuten, zunehmenden Aufbau des elektrischen Feldes der Induktivität, verbunden mit einem zunehmenden und letztlich durch die Spannung des Batteriestrangs sowie der Impedanz des Verbrauchernetzes limitierten Ausgangsstrom IA. Somit ist es ersichtlich, dass durch ein insbesondere temporäres, also zeitlich begrenztes, gegebenenfalls mehrmaliges aufeinanderfolgendes, Unterbrechen des Strom IE dieser auf einen Ausgangsstrom IA mit definiert einstellbaren Grenzen begrenzbar ist.
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Die Kurschlussschutzvorrichtung weist zumindest ein Mittel zur Stromerfassung auf, mit welchem die Höhe des Ausgangsstromes IA ermittelt wird. Die Höhe des Ausgangsstromes IA wird mit einem Signal ~ IA, d.h. einem Signal proportional dem Ausgangsstrom IA, einer Vergleichseinrichtung zugeführt, welche den gemessenen Ausgangsstrom IA mit einer Führungsgröße ~ IS, d.h. proportional zu einem vorgebbaren Sollwert IS vergleicht. Dabei ist der Sollwert IS durch einen vorgebbaren Wert eines Kurzschlussstroms IK begrenzt. In anderen Werten kann der Sollwert IS in einem vorgebbaren positiven Bereich unterhalb des Kurzschlussstroms IK liegen. Vorteilhaft wird dabei der Kurzschlussstrom IK derart festgelegt, dass er über einem im regulären Betrieb des Verbrauchernetzes auftretenden Ausgangsstrom IA, aber gleichzeitig unter einem maximal zulässigen Ausgangsstrom IA liegt. Die Führungsgröße kann vorteilhaft als ein Signal proportional zum Minimum aus dem Sollwert IS sowie dem Wert des Kurzschlussstroms IK bestimmt werden, d.h. mit anderen Worten, dass die Höhe des Sollwerts IS vorteilhaft durch die Höhe des vorgebbaren Wert des Kurzschlussstroms IK begrenzt wird. Ist der Kurzschlussschutzvorrichtung kein Sollstrom IS vorgegeben, so entspricht die Führungsgröße einem Signal ~ IK, d.h. einem Signal proportional zum Kurzschlussstrom IK.
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Von der Vergleichseinrichtung wird der Induktivitätsstromregeleinrichtung ein Signal als Stellgröße zugeleitet, anhand dessen die Induktivitätsstromregeleinrichtung ein Öffnen oder Schließen des Schaltelements steuert. Dies kann sowohl statisch als auch in schneller Abfolge in Form einer Taktung oder Pulsweitenmodulation erfolgen.
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Eine schnelle Abfolge von Schaltzuständen des Schaltelements, beispielsweise einer Pulsweitenmodulation entsprechend, führt zu einer entsprechenden Abfolge im Anstieg beziehungsweise Abfall des Ausgangstroms IA und somit zu einer Welligkeit des Ausgangsstroms IA. Vorteilhaft wird diese Welligkeit des Ausgangsstroms IA durch eine Anordnung eines Kondensators zwischen den Netzklemmen geglättet.
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Vorteilhaft ist die Kurzschlussschutzvorrichtung derart ausgebildet, dass die Kurzschlussschutzvorrichtung wenigstens zwei Induktivitäten, Schaltelemente und Brückenvorrichtungen aufweist, durch die ein Zweifach-Synchronwandler ausgebildet ist. In anderen Worten weist die Kurzschlussschutzvorrichtung zum Ausbilden eines Zweifach-Synchronwandlers wenigstens zwei Induktivitäten, wenigstens zwei Schaltelemente und wenigstens zwei Brückenvorrichtungen auf.
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Eine derartige Ausbildung bietet den Vorteil, dass zwei Stromwandler ausbildbar sind, die durch eine Steuerung ihrer Schaltelemente in einer geeigneten zeitlichen Abfolge abwechselnd zu der Lieferung des Ausgangsstroms IA beitragen, so dass die Welligkeit des Ausgangsstroms IA reduziert werden kann.
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Weiterhin ist die Kurzschlussschutzvorrichtung vorteilhaft derart ausgebildet, dass der Batteriestrang eine Anzahl von n = N Batteriezellen aufweist und wenigstens eine Brückenvorrichtung wenigstens k Batteriezellen überbrückt, so dass im Falle einer Unterbrechung des Stroms IE durch das Schaltelement n – k Batteriezellen weiterhin zu dem von der Kurzschlussschutzvorrichtung abgebbaren Ausgangsstrom IA beitragen. Auch diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass die Welligkeit des Ausgangsstroms IA reduziert wird. Ferner erlaubt diese Ausbildung bei einer entsprechenden Wahl beziehungsweise Steuerung der Anzahl k von überbrückten Batteriezellen, die Spannung des zu dem Ausgangsstrom IA permanent beitragenden Anteils des Batteriestrangs zu variieren und somit den Ausgangsstrom IA zusätzlich zu steuern.
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Vorteilhaft ist die Kurzschlussschutzvorrichtung ferner derart ausgebildet, dass der Batteriestrang eine Anzahl von n = N Batteriezellen aufweist und wenigstens eine Brückenvorrichtung genau eine Batteriezelle überbrückt, so dass im Falle einer Unterbrechung des Stroms IE durch das Schaltelement n – 1 Batteriezellen weiterhin zu dem von der Kurzschlussschutzvorrichtung abgebbaren Ausgangsstrom IA beitragen. Diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass die Welligkeit lediglich von der durch eine einzelne Batteriezelle hervorgerufenen Spannungsdifferenz bestimmt und somit die Welligkeit des Ausgangsstroms IA sehr weit reduziert wird.
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Vorteilhaft ist die Kurzschlussschutzvorrichtung derart ausgebildet, dass die Kurzschlussschutzvorrichtung eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Induktivitäten aufweist, welche einer Mehrzahl von Batteriemodulen zugeordnet sind.
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Diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass über jedes Batteriemodul ein Stromwandler ausbildbar ist. Ferner bietet diese Ausbildung den Vorteil, dass die den Batteriemodulen zugeordneten Induktivitäten, nachfolgend auch Modulinduktivitäten genannt, in Reihe geschaltet sind und sich ihre induktiven Wirkungen zu einer gesamten Induktivität addieren.
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Mit anderen Worten wird die Induktivität der Kurzschlussschutzvorrichtung vorteilhaft durch mehrere in Reihe wirkender Modulinduktivitäten ausgebildet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass zur Erzielung derselben induktiven Wirkung anstelle einer, in der Regel außerhalb des Batteriestrangs angeordneten, Induktivität mehrere, und somit kleinere Modulinduktivitäten innerhalb des Batteriestrangs ausbildbar sind.
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Vorteilhaft ist die Kurzschlussschutzvorrichtung weiterhin derart ausgebildet, dass ein Batteriemodul genau eine Batteriezelle mit einer dieser Batteriezelle zugeordneten und mit dieser in Serie geschalteten Induktivität aufweist. Bei dieser Ausbildung kann eine einzelne Batteriezelle als Batteriemodul beziehungsweise ein Batteriemodul als Batteriezelle angesehen werden. Diese Ausbildung bietet den Vorteil, dass über jede Batteriezelle ein Stromwandler ausbildbar ist. Ferner bietet diese Ausbildung den Vorteil, dass die den Batteriezellen zugeordneten Induktivitäten, nachfolgend auch Zellinduktivitäten genannt, in Reihe geschaltet sind und sich ihre induktiven Wirkungen zu einer gesamten Induktivität addieren.
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Die Kurzschlussschutzvorrichtung ist somit weiterhin vorteilhaft derart ausgebildet, dass die Kurzschlussschutzvorrichtung eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Induktivitäten aufweist, welche einer Mehrzahl von Batteriezellen zugeordnet sind. Mit anderen Worten bietet diese Ausbildung den Vorteil, dass zur Erzielung derselben induktiven Wirkung anstelle einer, in der Regel außerhalb des Batteriestrangs angeordneten Induktivität deutlich mehrere, und somit beispielsweise deutlich kleinere Zellinduktivitäten innerhalb des Batteriestrangs ausbildbar sind.
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Vorteilhaft ist die Kurzschlussschutzvorrichtung weiterhin derart ausgebildet, dass der Batteriestrang zumindest ein Batteriemodul oder mehrere in Serie geschaltete Batteriemodule aufweist, wobei das zumindest eine Batteriemodul zumindest eine Batteriezelle aufweist, die durch eine Brückenvorrichtung überbrückbar ist, und die ein Schaltelement aufweist, durch welches ein Strom IE durch die zumindest eine Batteriezelle unterbrechbar ist.
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Eine derartig ausgebildete Kurzschlussschutzvorrichtung bietet den Vorteil, dass mit in den Batteriezellen und -modulen enthaltenen Schaltelementen eine Begrenzung des Ausgangsstromes IA in sehr engen Grenzen möglich ist. Dabei ist als ein erster Vorteil die Spannung des Batteriestrangs über die Schaltelemente steuerbar. Als ein zweiter Vorteil sind zudem über einzelne Batteriemodule in Verbindung mit Modulinduktivitäten, oder über einzelne Batteriezellen in Verbindung mit Zellinduktivitäten einzelne Stromwandler ausbildbar. Somit können Komponenten eines derart ausgebildeten Stromwandlers vorteilhaft innerhalb des Batteriestrangs angeordnet sein, so dass die Kurzschlussschutzvorrichtung und der Batteriestrang zumindest teilweise miteinander verflochten sind.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl parallel angeordneter Batteriestränge nach dem Stand der Technik;
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2 einen Batteriestrang mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen nach dem Stand der Technik;
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3 eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung nach dem Prinzip eines Buck-Converters;
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4 eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung nach dem Prinzip eines Interleaved-Buck-Converters;
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5 eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung für einen Batteriestrang, der partiell von einem Verbrauchernetz trennbar ist;
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6 eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung für einen Batteriestrang, bei welcher die Induktivität auf die Batteriemodule des Batteriestrangs verteilt ist; und
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7 eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung für einen Batteriestrang, bei welcher die Induktivität auf die Batteriezellen des Batteriestrangs verteilt ist.
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1 zeigt ein Batteriesystem 100 mit einer Mehrzahl parallel angeordneter Batteriestränge 2 nach dem Stand der Technik, bei welchem über die Batteriestränge 2 eine Spannung U anliegt. Das Batteriesystem 100 weist zwei elektrische Anschlüsse 110, 111 auf, über die eine elektrische Energie des Batteriesystems 100 entnehmbar ist. Die parallel angeordneten Batteriestränge 2 weisen mehrere Batteriezellen 3 und elektrischen Anschlüsse 10, 11 auf, mit welchen sie jeweils mit den Anschlüssen 110, 111 des Batteriesystems 100 verbunden sind. Beispielsweise in Abhängigkeit von einem Energiebedarf eines mit dem Batteriesystem 100 verbunden Verbrauchers sind die Batteriestränge 2 über Schalter 28 von dem Anschluss 111 trennbar. In einem Kurzschlussfall sind alle Batteriestränge 2 von dem Anschluss 111 trennbar.
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2 zeigt einen Batteriestrang 2 mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen 4 nach dem Stand der Technik. Der Batteriestrang 2 weist zwischen Anschlüssen 10 und 11 eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen 4 sowie einen Schalter 28 auf, über den der Batteriestrang 2 mit einem Verbrauchernetz oder mit weiteren Batteriesträngen 2 verbindbar ist. Die Batteriemodule 4 weisen eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 3 auf. Über zwei im Wechselspiel zu betätigende Schaltelemente 48, 49 können die Batteriezellen 3 in den Batteriestrang 2 zwischengeschaltet oder überbrückt werden.
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In 3 ist eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung 1 mit einem Stromwandler nach dem Prinzip eines Buck-Converters gezeigt. Die Kurzschlussschutzvorrichtung 1 ist eingangsseitig mit den Anschlüssen 10 und 11 eines Batteriestrangs 2 verbunden. Ausgangsseitig weist die Kurzschlussschutzeinrichtung 1 Netzklemmen 12, 13 auf, über die sie mit einem nicht dargestelltes Verbrauchernetz verbunden ist. Die Kurzschlussschutzvorrichtung 1 wird eingangsseitig von dem Batteriestrang 2 mit einem Strom IE gespeist, ausgangsseitig speist die Kurzschlussschutzvorrichtung 1 einen Ausgangsstrom IA in das Verbrauchernetz.
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Die Kurzschlussschutzvorrichtung 1 weist ein Schaltelement 8 sowie eine Induktivität 5 auf. Das Schaltelement 8 ist in diesem Ausgestaltungsbeispiel als FET (field effect transistor) mit Schutzdiode oder als IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das Schaltelement 8 und die Induktivität 5 sind in Serie angeordnet, wobei bezüglich der Reihenfolge das Schaltelement 8 auf der Seite des speisenden Batteriestrangs 2 und die Induktivität 5 verbrauchernetzseitig, d.h. auf der Seite des Verbrauchernetzes, angeordnet ist. Ferner sind aus 3 eine Brückenvorrichtung 6 in Form einer Diode sowie zwei Kondensatoren 9 ersichtlich, die der Glättung der an den Anschlüssen 10, 11 sowie den Netzklemmen 12, 13 anliegenden Spannungen dienen.
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Das Ausgestaltungsbeispiel weist ferner Mittel zur Stromerfassung auf, die für eine Messung des Ausgangsstromes IA geeignet sind und in Form eines Shunt-Widerstands 16 und eines Spannungsverstärkers 15 ausgeführt sind. Der Spannungsverstärker 15 liefert ein zu dem Ausgangsstrom IA proportionales Spannungssignal ~ IA an eine Vergleichseinrichtung 19, die das Spannungssignal ~ IA mit einer Führungsgröße ~ Min(IS, IK), d.h. einer Führungsgröße, die proportional ist zu einem Minimum aus einem Sollwert IS und dem Wert des Kurzschlussstroms IK, vergleicht. In einem ausschließlichen Betrieb zur Begrenzung eines Kurzschlussstroms IK weist die Führungsgröße ein Spannungssignal ~ IK auf, wobei der Kurzschlussstrom IK derart festgelegt wird, dass er über einem im regulären Betrieb des Verbrauchernetzes auftretenden Ausgangsstrom IA, aber gleichzeitig unter einem maximal zulässigen Ausgangsstrom IA liegt.
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Von der Vergleichseinrichtung 19 wird einer Induktivitätsstromregeleinrichtung 14 ein Signal als Stellgröße zugeleitet, anhand dessen die Induktivitätsstromregeleinrichtung 14 ein Öffnen oder Schließen des Schaltelements 8 steuert. Dies kann sowohl statisch als auch in schneller Abfolge in Form einer Pulsweitenmodulation erfolgen.
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In den 4 bis 7 sind weitere Ausgestaltungen gezeigt, wobei der Übersichtlichkeit halber einzelne Bauteile, wie etwa die Mittel zur Strommessung, die Induktivitätsstromregeleinrichtung 14, und die Brückenvorrichtung 9 nicht gezeigt sind. In dieser Ausgestaltung sollen vielmehr die jeweiligen Unterschiede beziehungsweise die für die entsprechenden Ausgestaltungen prägenden Merkmale dargestellt werden.
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4 zeigt eine zu der in 3 dargestellten ähnliche Ausgestaltung einer Kurzschlussstrombegrenzung 1, wobei die Kurzschlussstrombegrenzung 1 gemäß 4 nach dem Prinzip eines Interleaved-Buck-Converters aufgebaut ist. Ein Regeln des Ausgangsstroms IA mittels einer Steuerung des Schaltelements 8 über eine Pulsweitenmodulation führt zu einer relativ starken Welligkeit des Ausgangsstroms IA. Um diese Welligkeit zu reduzieren, sieht die Ausgestaltung in 4 einen Zweifach Synchronwandler oder auch Interleaved-Buck-Converter vor. Im Unterschied zu 3 weist diese Ausführung zwei Schaltelemente 8 sowie zwei zusätzliche Schaltelemente 81 auf. Durch eine Betätigung der Schaltelemente 8, 81 in einer geeigneten zeitlichen Abfolge tragen die Induktivitäten 5 im Wechsel zu der Lieferung des Ausgangsstroms IA bei, so dass die Welligkeit des Ausgangsstroms IA reduziert werden kann.
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5 zeigt eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung 1 für einen Batteriestrang 2, bei welcher der Batteriestrang 2 partiell von einem Verbrauchernetz trennbar ist. Auch diese Ausgestaltung dient einer Reduzierung der Welligkeit des Ausgangsstroms IA, da ein Teil des Batteriestrangs 2 über die Brückenvorrichtung 9 unabhängig von dem Schaltzustand des Schaltelements 8 einen Beitrag zu dem Ausgangsstroms IA liefert. Die Welligkeit des Ausgangsstroms IA ist nur in dem Maße gegeben, in dem die von der Brückenvorrichtung 9 überbrückten Batteriezellen 3 zu dem Ausgangsstrom IA beitragen können.
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6 zeigt eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung 1 für einen Batteriestrang 2, bei welcher die Induktivität 5 auf die Batteriemodule 4 des Batteriestrangs 2 verteilt ist. Anstelle einer Induktivität 5 sind bei dieser Ausgestaltung beispielsweise drei Modulinduktivitäten 45 vorgesehen, deren Wert jeweils ein Drittel des Werts der Induktivität 5 beträgt. Die Schaltelemente 48, 49 erlauben bei entsprechender Ansteuerung eine modulweise Begrenzung des durch einen Batteriestrang 2 fließenden Stroms, wobei das Schaltelement 49 die Funktion einer Brückenvorrichtung 9 und das Schaltelement 48 die Funktion des Schaltelements 8 übernimmt.
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7 zeigt eine Ausgestaltung einer Kurzschlussschutzvorrichtung 1 für einen Batteriestrang 2, bei welcher anstatt einer gesamten Induktivität 5 Zellinduktivitäten 35 mit einer Anzahl entsprechend n = N Batteriezellen 3 des Batteriestrangs 2 vorgesehen sind. Der Wert der Zellinduktivitäten 35 kann jeweils ein 1/N des Werts einer gesamten Induktivität 5 betragen, so dass die Zellinduktivitäten 35 entsprechend kleiner ausgelegt sein können. Die Struktur der Anordnung entspricht derjenigen der 6, wobei jedes Batteriemodul 4 genau eine Batteriezelle 3 aufweist. Die Schaltelemente 48, 49 erlauben bei entsprechender Ansteuerung eine zellweise Begrenzung des durch einen Batteriestrang 2 fließenden Stroms, wobei das Schaltelement 49 wiederum die Funktion einer Brückenvorrichtung 9 und das Schaltelement 48 die Funktion des Schaltelements 8 übernimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/089338 A2 [0006]
- US 2002/0175644 A1 [0007, 0007]
- WO 2008/055493 A1 [0008]
- US 6246214 B1 [0010]
- US 6815930 B2 [0011]
- US 2011/0285538 A1 [0012]
- US 2002/0079865 A1 [0013]
