DE102015117744A1

DE102015117744A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102015117744A1
Application number: DE102015117744.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Ulf Schlieben; Sven Lill; Ralf Bauer; Harald Schöffler
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-04-20
Also published as: US10135266B2; CN106602636A; KR101948983B1; JP6382902B2; US20170110894A1; KR20170045734A; JP2017079590A; CN106602636B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mindestens einer ersten Teilbatterie, mindestens einer zweiten Teilbatterie und einem Mittelabgriff zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Teilbatterie, einem Leistungsumschalter mit einer Mehrzahl von Schaltelementen zum Umschalten zwischen der mindestens einen ersten Teilbatterie und der mindestens einen zweiten Teilbatterie, und mindestens einem Paar Ausgangsklemmen, das mit der Batterie elektrisch verbunden ist, wobei an dem Mittelabgriff ein erster kapazitiver Speicher angeordnet ist, der eine Speicherspannung aufweist, die sich über einen entsprechenden Zeitraum entsprechend einer von der ersten und/oder zweiten Teilbatterie bereitgestellten ersten und/oder zweiten Teilbatteriespannung einstellt, wobei während des Zeitraums des Einstellens der Speicherspannung ein Speicherstrom ausgehend von einem Maximalwert hin zu einem Wert Null abnimmt, wobei eine Umschaltung mindestens eines der Mehrzahl von Schaltelementen zur Umschaltung von der mindestens einen ersten Teilbatterie auf die mindestens eine zweite Teilbatterie in dem Zeitpunkt vorzunehmen ist, in dem der Speicherstrom im Wesentlichen Null ist bzw. die Speicherspannung im Wesentlichen einen Maximalwert erreicht hat. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das im Wesentlichen eine verlustfreie Schaltung ermöglicht und einen automatischen Ladungsausgleich bereitstellt.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind in der Regel mit einer Batterie ausgestattet, die die notwendige elektrische Energie zum Betrieb des Fahrzeugs bereitstellt. Die Batterie kann dabei aus einer Mehrzahl von Teilbatterien oder Batteriezellen aufgebaut sein, die jeweils eine entsprechende Teilbatteriespannung bereitstellen. Ein Problem von aus einer Mehrzahl von Teilbatterien aufgebauten Batterien ist die gleichmäßige Belastung der Teilbatterien während des Betriebs. Aufwändige Schaltungen können eine gleichmäßige Belastung der Teilbatterien ermöglichen.
Darüber hinaus stellt die Umschaltung zwischen unterschiedlichen Paaren von Batterieabgriffen einen kritischen Vorgang dar, der entsprechende Vorkehrungen im Schaltungsdesign benötigt und dadurch Kosten verursacht. Die Umschaltung verursacht Schaltverluste und bedarf wegen der begrenzten Umschaltgeschwindigkeit aufwändiger Schutzbeschaltungen der Schaltelemente (bspw. Halbleiter), die Überspannungen ableiten und den Stromfluss während der Umschaltung aufrechterhalten. Ferner sind Umschaltvorgänge ein Hauptgrund für elektromagnetische Verträglichkeitsprobleme (EMV) durch die Aussendung von elektrischen Wellen. Insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) weisen ein langsames Abschaltverhalten auf (sog. Tailströme) und erzwingen lange Schaltlücken (Totzeiten) in der Umschaltung zwischen mehreren Paaren von Batterieabgriffen. In typischen Hochspannungsschaltungen in Kraftfahrzeugen, zu denen beispielsweise auch Motorinverter gehören, übersteigen die Schaltverluste die reinen Ohm'schen Verluste bzw. Leitungsverluste in den Halbleitern.
Die Schaltverluste setzen sich in erster Näherung aus zwei Komponenten zusammen. Eine erste Komponente ist näherungsweise proportional zu Strom und Spannung während der Umschaltung. Aufgrund der hohen Spannung von mehreren Einhundert Volt (bspw. 400 V oder 800 V) können ferner kapazitive Umladungseffekte, beispielsweise an den Junction-Kapazitäten der Halbleiter, aufgrund einer quadratischen Abhängigkeit von der Spannung deutlich an Gewicht verlieren. Die Schaltverluste können durch folgende Formel bestimmt werden:
Die DE 10 2011 077 664 A1 offenbart ein Energiespeichersystem mit mehreren in Reihe geschalteten Speichereinrichtungen und einer Einrichtung zum Vergleichmäßigen der Ladezustände der einzelnen Speichereinrichtungen, welche wenigstens einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) umfassen.
Die DE 10 2013 001 466 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle eine Entladeschaltung sowie eine Zusatzschaltung zum Offnen eines Entladeschalters bei Unterschreitung einer kritischen Grenzspannung der jeweiligen Batteriezelle enthält.
Die DE 10 2014 012 068 A1 offenbart ein Verfahren zum Beheizen einer Batterie mit einer Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen, wobei ein Anfang und ein Ende der Reihenschaltung über einen kapazitiven Speicher gekoppelt sind.
Die EP 2 506 390 A1 offenbart einen Batteriekontroller für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei jeder Batteriezelle eine Schaltung zur Spannungsmessung zugeordnet ist, die einen Kondensator aufweist. Der Batteriekontroller kann je nach Ladezustand zwischen den einzelnen Batteriezellen umschalten.
Die EP 1 901 412 A2 offenbart ein Batterie-Management-System für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle eine Vorrichtung zum Laden besitzt und je nach Ladezustand geladen oder entladen wird.
Die EP 2 053 717 A2 offenbart einen Entladekontroller für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle eine Entladeschaltung sowie Vorrichtungen zur Spannungsmessung aufweist. Weiterhin sind eine Schaltvorrichtung sowie eine Steuereinheit zwischen den verschiedenen Batteriezellen vorhanden.
Die WO 2013 037 633 A2 offenbart ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen Batteriemodulen eines Batteriesystems. Dabei wird Energie beim Entladen des Batteriesystems in einem Zwischenkreiskondensator gespeichert und daraus in ein Batteriemodul mit niedrigem Ladezustand eingespeist.
Wie an der voranstehend auf Seite 2 gezeigten Formel erkennbar, bestimmen Strom und Spannung an einem Halbleiter zu einem Umschaltzeitpunkt maßgeblich die Schaltverluste. Wenn eines davon oder beides für einzelne Schaltelemente zum Schaltzeitpunkt vernachlässigbar gering ist, können Schaltverluste effektiv verringert werden, wobei dadurch auch bei hohen Schaltraten die Schaltverluste gering gehalten werden können. Eine Aufgabe, die die vorliegende Erfindung adressiert, ist wenigstens eine Verringerung oder sogar eine vollständige Eliminierung der Schaltverluste.
Die Aufgabe wird mit einem Batteriesystem gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
Es soll verstanden werden, dass im Folgenden der Begriff „Batterie”, wie er im Sinne der Erfindung verwendet wird, eine Mehrzahl von Primärzellen, Sekundärzellen und/oder Kondensatoren, insbesondere einschließlich Folienkondensatoren, Elektrolytkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren und Keramikkondensatoren, umfasst.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst

– eine Batterie mit mindestens einer ersten Teilbatterie, mindestens einer zweiten Teilbatterie und einem Mittelabgriff zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Teilbatterie,
– einen Leistungsumschalter mit einer Mehrzahl von Schaltelementen zum Umschalten zwischen der mindestens einen ersten Teilbatterie und der mindestens einen zweiten Teilbatterie, und
– mindestens ein Paar Ausgangsklemmen, das mit der Batterie elektrisch verbunden ist,

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems sind die Schaltelemente Niederfrequenzumschalter.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist mindestens eine Ausgangsklemme des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen mindestens eine erste Induktivität auf.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist zwischen dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen ein zweiter kapazitiver Speicher angeordnet.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist der zweite kapazitive Speicher jeweils vor oder nach der jeweiligen mindestens einen ersten Induktivität der Ausgangklemmen angeordnet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist der zweite kapazitive Speicher ein polarer Kondensator mit einem Pluspol und einem Minuspol.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems weist jede Ausgangsklemme des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen eine zweite Induktivität auf, wobei der zweite kapazitive Speicher zwischen den ersten und zweiten Induktivitäten angeordnet ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist an dem ersten kapazitiven Speicher ein Voltmeter zum Messen der Speicherspannung angeordnet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems empfängt ein Schwellwertschalter die gemessene Speicherspannung, wobei der Schwellwertschalter eine Schaltersteuerung anweist, sobald die Speicherspannung einen oberen oder unteren Umschaltschwellwert erreicht, mindestens einen Niederfrequenzumschalter der Mehrzahl von Niederfrequenzumschaltern umzuschalten.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems empfängt und verarbeitet ein Differenzierer den Wert der gemessenen Speicherspannung, wobei der verarbeitete Wert einem Schwellwertschalter weiterzuleiten ist, der eine Schaltersteuerung anweist, sobald der verarbeitete Wert einen oberen oder unteren Umschaltschwellwert erreicht, mindestens einen Niederfrequenzumschalter der Mehrzahl von Niederfrequenzumschaltern zu schalten.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist der Wert der gemessenen Speicherspannung einem Differenzierer und einer mathematischen Verknüpfung zuzuführen, wobei eine Schaltersteuerung einen ersten Faktor für einen Betrieb des Batteriesystems in einem aktuellen Schaltungszustand ermittelt und einen zweiten Faktor für einen Betrieb des Batteriesystems in einem Schaltungszustand nach einer Umschaltung ermittelt, wobei die Schaltersteuerung dazu konfiguriert ist, die Niederfrequenzumschalter oder den Leistungsumschalter anzuweisen, den Betrieb des Batteriesystems einzustellen, für den der ermittelte Faktor niedriger ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist die Schaltersteuerung dazu konfiguriert, den Kostenwert für einen Zeitraum in der Zukunft abzuschätzen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems liegt der Zeitraum zwischen etwa einer Millisekunde und etwa fünf Sekunden in der Zukunft.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum verlustarmen oder verlustfreien Umschalten von mindestens einem Schaltelement in einem Batteriesystem mit einer Batterie bestehend aus mindestens einer ersten Teilbatterie, mindestens einer zweiten Teilbatterie und einem Mittelabgriff, einem Leistungsumschalter mit dem mindestens einen Schaltelement und mindestens einem mit der Batterie verbundenen Paar Ausgangsklemmen vorgeschlagen, bei dem dem Mittelabgriff ein kapazitiver Speicher zugeordnet wird, der über einen entsprechenden Zeitraum mit einer von der ersten und/oder zweiten Teilbatterie bereitgestellten Teilspannung auf eine Speicherspannung geladen wird, wobei während des Zeitraums des Ladens der Speicherspannung ein Speicherstrom ausgehend von einem Maximalwert hin zu einem Wert Null abnimmt, wobei eine Umschaltung mindestens eines der Mehrzahl von Schaltelementen zur Umschaltung von der mindestens einen ersten Teilbatterie auf die mindestens eine zweite Teilbatterie in dem Zeitpunkt vorgenommen wird, in dem der Speicherstrom im Wesentlichen Null ist bzw. die Speicherspannung im Wesentlichen einen Maximalwert erreicht hat.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Schaltelemente Niederfrequenzumschalter verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen eine näherungsweise konstante und glatte Spannung durch Anordnen mindestens einer Induktivität an mindestens einer Ausgansklemme des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen bereitgestellt.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen ein zweiter kapazitiver Speicher angeordnet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite kapazitive Speicher jeweils vor oder nach der jeweiligen mindestens einen ersten Induktivität angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als zweiter kapazitiver Speicher ein polarer Kondensator mit einem Pluspol und einem Minuspol verwendet.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an mindestens einer Ausgangsklemme mindestens eine zweite Induktivität angeordnet und der zweite kapazitive Speicher wird zwischen der ersten und der zweiten Induktivität angeordnet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an dem ersten kapazitiven Speicher ein Voltmeter zum Messen einer Speicherspannung angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von einem Schwellwertschalter die gemessene Speicherspannung empfangen, wobei von dem Schwellwertschalter eine Schaltersteuerung angewiesen wird, sobald von der Speicherspannung ein oberer oder ein unterer Umschaltschwellwert erreicht wird, mindestens ein Schaltelement der Mehrzahl von Schaltelementen umzuschalten.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von einem Differenzierer der Wert der gemessenen Speicherspannung empfangen und verarbeitet, wobei der verarbeitete Wert einem Schwellwertschalter weitergeleitet wird, von dem eine Schaltersteuerung angewiesen wird, sobald der verarbeitete Wert einen oberen oder einen unteren Umschaltschwellwert erreicht, mindestens ein Schaltelement der Mehrzahl von Schaltelementen umzuschalten.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wert der gemessenen Speicherspannung einem Differenzierer und einer mathematischen Verknüpfung zugeführt, wobei von einer Schaltersteuerung ein Faktor für einen Betrieb einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems in einem aktuellen Schaltungszustand und ein Faktor für einen Betrieb einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems in einem Schaltungszustand nach einer Umschaltung ermittelt wird, wobei die Schaltersteuerung die Schaltelemente oder den Leistungsumschalter anweist, den Betrieb der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems einzustellen, für den der ermittelte Faktor niedriger ist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der Schaltersteuerung der Faktor für einen Zeitraum in die Zukunft abgeschätzt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Grundschaltung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
2 zeigt einen beispielhaften Schaltungszustand des erfindungsgemäßen Batteriesystems aus 1.
3a zeigt ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf eines Speicherstroms darstellt.
3b zeigt ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf einer Speicherspannung entsprechend des Verlaufs des Speicherstroms aus 3a darstellt.
4 zeigt einen weiteren beispielhaften Schaltungszustand des erfindungsgemäßen Batteriesystems aus 1.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, die eine Erweiterung des Batteriesystems aus 5 darstellt.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems, die eine Erweiterung des Batteriesystems aus 6 darstellt.
8a zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
8b zeigt ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf einer Speicherspannung.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden das erfindungsgemäße Batteriesystem und das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 soll eine Grundschaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 dargestellt werden. Das Batteriesystem 10 weist eine Batterie 12 auf. Die Batterie 12 weist eine erste Teilbatterie 12-1 und eine zweite Teilbatterie 12-2 auf. Die erste Teilbatterie 12-1 und die zweite Teilbatterie 12-2 können ihrerseits aus einer Mehrzahl Teilbatterien oder Batteriezellen aufgebaut sein. Zwischen der ersten Teilbatterie 12-1 und der zweiten Teilbatterie 12-2 ist ein Mittelabgriff 14 angeordnet. Darüber hinaus weist die Batterie 12 einen ersten Batterieabgriff 16-1 und einen zweiten Batterieabgriff 16-2 auf. Dem Mittelabgriff 14 ist ein kapazitiver Speicher 18 zugeordnet. In der gezeigten Ausführungsform ist der kapazitive Speicher 18 ein Kondensator. Von dem elektrischen Zweig, der den Mittelabgriff 14 und den Kondensator 18 aufweist, zweigt eine elektrische Verbindung zu dem elektrischen Zweig mit dem ersten Batterieabgriff 16-1 und eine elektrische Verbindung zu dem Zweig mit dem zweiten Batterieabgriff 16-2 ab. Jede dieser elektrischen Verbindungen weist zwei sogenannte Entlastungsnetzwerke 20 auf, so dass in dem Batteriesystem 10 insgesamt vier Entlastungsnetzwerke 20 verschaltet sind. Parallel zu jedem Entlastungsnetzwerk 20 ist je ein Schaltelement 22A bis 22D geschaltet. Die Schaltelemente 22A bis 22D definieren einen Leistungsumschalter 26. Als Schaltelemente kommt grundsätzlich jede Art von elektrischen oder elektronischen Schaltelementen in Betracht, insbesondere auch Halbleiter-Schaltelemente.
Die Entlastungsnetzwerke 20 repräsentieren eine Schutzbeschaltung der Schaltelemente 22A bis 22D. Andere Ausdrücke in der Literatur dafür sind Entlastungsschaltung oder Snubber. Die Entlastungsnetzwerke 20 verhindern Spannungsspitzen, die bei einem Schließen und/oder einem Öffnen eines Schaltelementes 22A bis 22D auftreten können. Geeignete Schutzbeschaltungen sind aus der Literatur beispielweise aus der EP 0 584 622 A1 , der DD 295 450 A5 , der DE 32 47 707 A1 , der US 2015/0036253 oder der US 2014/0334201 hinreichend bekannt und werden zum Vorteil der Erfindung fortlaufend verbessert.
Ferner weist die Grundschaltung des Batteriesystems 10 vier Ausgangsklemmen 24A bis 24D auf. Die vier Ausgangsklemmen 24A bis 24D bilden in der Regel Paare. Es ist vorgesehen, dass die Ausgangsklemmen 24A und 24D ein Paar bilden und die Ausgangsklemmen 24B und 24C ein Paar bilden. Über die Schaltelemente 22A bis 22D sind die Ausgangsklemmen 24A bis 24D dynamisch bzw. dynamisch abwechselnd mit den Batterieabgriffen 16-1, 16-2, 14 elektrisch verbindbar.
Aufgrund des ein- oder ausfließenden Stroms lädt sich der kapazitive Speicher 18 derart, dass die den Strom treibende Spannungsdifferenz Null wird, wodurch auch der Strom versiegt und/oder kommutiert (also die Polarität ändert). Zu diesem Zeitpunkt kann die Umschaltung mit minimalen Verlusten erfolgen. Die treibende Spannungsdifferenz ist bei einem Ladevorgang zum Laden der Batterie 12 beispielsweise die Ladespannung der Ladesäule; bei Entladung der Batterie 12 beispielsweise die effektive Spannung als Summe der Teilbatteriespannungen und des kapazitiven Speichers 18.
Die Grundschaltung sorgt demnach dafür, dass der Strom in jedem Schalterzustand nach einer Weile versiegt (oder kommutiert) oder die Spannung über einen oder mehrere Schaltelemente absinkt, bis sie Null wird. Somit lassen sich Schaltverluste verringern oder eliminieren, wenn während eines Umschaltzeitpunkts entweder Strom und/oder Spannung über zumindest einigen zu schaltenden Schaltelementen minimal oder sogar Null wären. Ein solches Schaltverhalten wird in der Regel, angelehnt an die englische Fachsprache, zero-voltage switching (ZVS – d. h. die Spannung ist Null bzw. nahe Null) bzw. zero-current switching (ZCS – d. h. der Strom ist Null bzw. nahe Null) genannt. In den gezeigten Ausführungsformen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Umschaltung der Schaltelemente bei einem Absolutwert des Stroms und/oder der Spannung erfolgt, der nahe Null ist, insbesondere bei einem Absolutwert des Stroms und/oder der Spannung, der geringer als ein Fünftel des jeweiligen Nennwertes ist, vorzugsweise geringer als ein Fünfzigstel des jeweiligen Nennwertes.
In 2 ist ein beispielhafter Schaltzustand des Batteriesystems 10 gezeigt, bei dem die Schaltelemente 22A und 22C aktiviert sind, also geschlossen sind. Die Schaltelemente 22B und 22D sind deaktiviert, also geöffnet. Das Ausgangsklemmenpaar mit den Ausgangsklemmen 24B, 24C ist demnach mit der verringerten Spannung der Teilspannung, die von der Teilbatterie 12-1 bereitgestellt wird, verbunden. Dabei wird der kapazitive Speicher 18, der hier ein Kondensator ist, bei jeglichem Stromfluss aufgeladen oder entladen. Ein zeitlicher Verlauf des Stroms und der Spannung des Kondensators 18 ist in den 3a bzw. 3b gezeigt, wobei Abschnitt A einen initialen Bereich bei einem ungeladenen Kondensator 18 und Abschnitt B einen eingeschwungenen Bereich bezeichnet. In dem gezeigten Schaltungszustand wird Energie aus der Batterie 12 entnommen und der Kondensator 18 geladen, wodurch die Spannung des gemeinsamen Schaltungsknotens von den Schaltelementen 22B und 22C in Richtung der Batterie 12 ansteigt, was durch den Pfeil 30 angedeutet ist. Dadurch sinkt jedoch die Spannung über dem geöffneten Schalter 22B, was durch den Pfeil 28 angedeutet ist, und die Spannung V an den Batterieabgriffen 14, 16-1 sinkt gegen Null. Als Folge der sinkenden Spannung V sinkt auch der Strom I. Erfolgt keine Umschaltung versiegt der Strom I vollständig.
Ist die Spannung an den Batterieabgriffen 14, 16-1 in etwa bei 0 Volt bzw. nahe 0 Volt angelangt, fließt nur noch ein vernachlässigbarer Strom. Gleichzeitig ist der Kondensator 18 jedoch nahezu exakt auf die Spannung der Teilbatterie 12-1 geladen. Die Dauer der Aufladung des Kondensators 18 hängt von dem entnommenen Strom und der Kapazität des Kondensators 18 ab. Erfolgt in diesem Zustand, also bei einer Spannung über dem geöffneten Schalter 22B von nahe Null, eine Umschaltung auf die Teilbatterie 12-2, liegt anfangs an dem Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C die entsprechende Spannung der Teilbatterie 12-2 und die Spannung des Kondensators 18 an, wobei die Spannung des Kondensators 18 initial der Spannung der Teilbatterie 12-1 entspricht. Folglich beträgt bei einer Umschaltung bei einer Batterie 12 mit zwei Teilbatterien 12-1, 12-2 der „Startwert” an dem Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C der gesamten von der Batterie 12 bereitstellbaren Spannung. Zum Verbinden des Ausgangsklemmenpaares mit den Ausgangsklemmen 24B, 24C mit der Teilbatterie 12-2, müssten die Schaltelemente 22A und 22C geöffnet und die Schaltelemente 22B und 22D geschlossen sein.
In dem neuen Schaltzustand wird jedoch der Kondensator 18 umgeladen, wodurch zunächst die Spannung sinkt und mit umgekehrter Polarität den Kondensator 18 wieder lädt, wie in 3b erkennbar, in welcher der Verlauf der Spannung auf der Ordinate 13 über die Zeit auf der Abszisse 17 aufgetragen ist. Dies geschieht bis der Strom an dem Kondensator 18 versiegt ist, siehe 3a, in welcher der Verlauf des Stroms auf der Ordinate 15 über die Zeit auf der Abszisse 11 aufgetragen ist. Betrachtet man in 3a den Absolutbetrag des Stroms, entspricht der Verlauf dem Strom an dem Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C bzw. der Spannung an dem Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C.
In 4 ist ein weiterer Schaltungszustand der Grundschaltung des Batteriesystems 10 dargestellt. Bei dem dargestellten Schaltungszustand sind die Schaltelemente 22A und 22D aktiviert, also geschlossen, und die Schaltelemente 22B und 22C deaktiviert, also geöffnet. In diesem Schaltungszustand kann das Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C nicht nur mit einer Teilspannung einer Teilbatterie 12-1, 12-2 verbunden werden, sondern mit der kompletten Spannung der Batterie 12. Die gestrichelten Linien 32-1 und 32-2 repräsentieren dabei den Strompfad und verdeutlichen die elektrische Verbindung der Ausgangsklemmen 24B, 24C mit den Batterieabgriffen 16-1 und 16-2 zur Bereitstellung der kompletten Batteriespannung.
Neben dem Umschalten der Schaltelemente 22A bis 22D bei geringem oder sogar versiegendem Strom, wodurch die Schaltverluste nahezu beliebig verringert werden können, hat die kapazitive Kopplung der Batterie 12 zur Folge, dass die Teilbatterien 12-1, 12-2 automatisch gleichmäßig belastet werden, ohne dass eine aufwändige ladungsbasierte Regelung erforderlich wäre. Darüber hinaus können bei einer ausreichend hohen Schaltrate sehr kleine und kostengünstige Kondensatoren als kapazitiver Speicher 18 verwendet werden. Eine hohe Schaltrate hat ferner den Vorteil, dass ein Batteriemanagementsystem keine längere ungleichmäßige Belastung der Teilbatterien 12-1, 12-2 detektiert und entsprechende Gegenmaßnahmen einleitet. Einerseits sind aufgrund der hohen Schaltrate die jeweils entnommenen oder geladenen Ladungen sehr gering, andererseits ist die Dauer der ungleichmäßigen Aufladung oder Entladung der Teilbatterien 12-1, 12-2 so kurz, dass sie wohlmöglich sogar unter einem Mittelungsmessfilter typischer Batteriemanagementsysteme liegen kann. Der geringe Strom während des Umschaltvorgangs sorgt insbesondere bei Halbleiter-Schaltelementen, die gewöhnlich bei einer Abschaltung lange Tail-Ströme oder Reverse-Recovery-Effekte bewirken (bspw. IGBT), für ein mit diesen Bauelementen sonst nicht mögliches schnelles und verlustarmes Umschalten. Der versiegende Strom erlaubt ferner den Einsatz von Halbleitern als Schaltelemente 22A, 22B, 22C, 22D, die nicht elektronisch abschaltbar sind, sondern eine Stromkommutierung für die Abschaltung benötigen, wie beispielsweise Thyristoren/SCR oder Triacs.
Obwohl die Batterie 12 aufgeteilt, also quantisiert ist, können mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 10 an den Paaren Ausgangsklemmen 24A bis 24D beliebige Spannungen erzeugt werden, die kleiner als die Summe der zwei Teilbatterien 12-1, 12-2 ist. Aufgrund der Ladekurve des Kondensators 18, die von der Summe der Spannungen der aktuellen Teilbatterie und der vorherigen Teilbatterie aus gegen Null läuft, lassen sich durch geeignetes Umschalten auf einer bestimmten Position auf dieser Kurve im Zeitmittel andere Spannungen erzeugen. Eine dafür benötigte Regelung entspricht einer reinen Spannungsregelung am Ausgang und ist damit sehr kostengünstig. Eine Strommessung wird nicht benötigt. Am einfachsten ist jedoch immer noch die Erzeugung der von den Teilbatterien 12-1, 12-2 bereitgestellten Spannungen.
Es soll verstanden werden, dass das vorgestellte Batteriesystem 10 auch für eine beliebige Anzahl von Teilbatterien, die über jeweilige Mittelabgriffe auch unterschiedlich große Teilspannungen bereitstellen können, und eine beliebige Anzahl von Paaren von Ausgangsklemmen verwendet werden kann. Die kapazitive Kopplung sorgt auch bei einem solchen erweiterten Batteriesystem für eine automatische gleichmäßige Belastung der Teilbatterien.
5 zeigt ein erweitertes Batteriesystem 50 des Batteriesystems 10, die die wechselnden Spannungen von den Ausgangsklemmen 24A bis 24D abkoppelt, um eine gleichmäßige Ausgangsspannung zu erzeugen. Dazu weist das Batteriesystem 50 an den Ausgangsklemmen 24B und 24C zusätzlich jeweils eine Induktivität 34 auf. Eine Induktivität 34 an einer Ausgangsklemme 24B oder 24C wäre zur Erzeugung einer gleichmäßigen Ausgangsspannung ausreichend, vorteilhafter ist aber ein symmetrischer Aufbau mit jeweils einer Induktivität 34 an jeder Ausgangsklemme 24B, 24C. Mit dem Batteriesystem 50 werden vorteilhafterweise die Spannungsschwankungen von dem Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C abgekoppelt, wodurch eine glatte und näherungsweise konstante Spannung an dem Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C und somit daran angeschlossenen Lasten (oder einer Ladesäule zum Laden der Batterie) bereitsteht. Bei einer entsprechenden Stromregelung des Batteriesystems 50 stünde ein konstanter Strom an dem Paar Ausgangsklemmen 24B, 24C bereit. Unter Umständen können mit den Induktivitäten 34 zusammen mit dem Kondensator 18 Oszillatoren gebildet werden, die die Umschaltdauer unabhängig von dem Laststrom einstellbar machen.
6 zeigt ein erweitertes Batteriesystem 60 des Batteriesystems 50 aus 5. Mit einem zusätzlichen Kondensator 36, der zwischen die Ausgangsklemmen 24B, 24C geschaltet ist, können die Spannungsschwankungen zusätzlich ausgeglichen werden. Prinzipiell könnte der Kondensator 36 in der 6 auch links von den Induktivitäten 34 angeordnet sein, was jedoch einen langsameren Ausgleichsstrom in dem Kondensator 36 bei jedem Umschaltvorgang bewirken würde, wenn die hohen Spannungssprünge (siehe 3a, 3b) aufträten. Außerdem könnten die dann auftretenden hohen Stromspitzen die Schaltelemente 22A bis 22D sehr beanspruchen. Es ist vorgesehen, dass der Kondensator 36 gepolt sein kann, d. h. dass bspw. eine Anode des Kondensators 36 einen Minuspol und eine Kathode des Kondensators 36 einen Pluspol darstellt. Eine Kombination aus Kapazitäten 36 und Induktivitäten 34 erlaubt eine genauere Einstellung der Kommutations- und Schaltdynamik. Dabei formen die Induktivitäten 34 des aktuell aktiven Klemmenpaares 24B, 24C und die Kapazität 18 des aktuell aktiven Batterieabgriffs (bei mehr als zwei Teilbatterien 12-1, 12-2) einen Serienschwingkreis, dessen halbe Periodendauer die Umschaltrate bestimmt und der ferner zu einem vergleichsweise glatten Strom- und/oder Spannungsverlauf an den Ausgangsklemmen 24A bis 24D führt.
7 zeigt ein erweitertes Batteriesystem 70 des Batteriesystems 60 aus 6. Das Batteriesystem 70 weist an den Ausgangsklemmen 24B und 24C jeweils zusätzlich eine zweite Induktivität 35 auf. Dadurch bildet sich eine sogenannte LCL-Struktur mit zwei Induktivitäten 34, 35 und einer Kapazität 36 aus. Es ist möglich, dass auch nur eine zweite Induktivität 35 an einer Ausgangsklemme 24B oder 24C angeordnet ist. Ein symmetrischer Aufbau mit zwei zweiten Induktivitäten 35 an jeder Ausgangsklemme 24B und 24C ist jedoch vorteilhaft. Die Induktivitäten 34, 35 sorgen für einen gleichmäßigen Stromfluss.
Bei nicht rein Ohm'schen Lasten, die an die Ausgangsklemmen 24A bis 24D angeschlossen sind, insbesondere Lasten mit Speicherfähigkeit (bspw. Induktivitäten und/oder Kapazitäten) erfolgen ein Nulldurchgang des Stroms und der Spannung nicht mehr notwendigerweise zeitgleich. Eine Steuerung kann zur Verminderung der Verluste vorzugsweise einen der beiden Zeitpunkte von Stromnulldurchgang oder Spannungsnulldurchgang für Umschaltvorgänge nutzen. Auch eine Umschaltung bei noch geringem Strom und/oder Spannung durch einen oder mehrere der entsprechenden Schaltelemente 22A bis 22D, steigern die Effizienz maßgeblich. Der Term „geringer Strom” oder „geringe Spannung” meint dabei einen Strom bzw. eine Spannung, die geringer ist als ein Nennstrom bzw. eine Nennspannung, die in einem System ohne eine erfindungsgemäße ZCS- oder ZVS-Fähigkeit der Schaltung vorläge. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Schaltvorgang bei einem Absolutwert des Stroms und/oder der Spannung über den jeweiligen Schaltelementen von nahe Null erfolgt, d. h. wenn der Absolutwert geringer als ein Fünftel des Nennwertes, vorzugsweise geringer als ein Fünfzigstels des Nennwertes ist.
8a zeigt daher ein Batteriesystem 80, das eine Spannungsregelung aufweist. Dazu ist das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 aus 1 mit einem Voltmeter 38, einem Schwellwertschalter 40 und einer Schaltersteuerung 42 erweitert wurden, um zu dem Batteriesystem 80 zu gelangen. Das Voltmeter 38 misst dabei einen Wert einer Kondensatorspannung, die über dem Kondensator 18 anliegt. Der gemessene Wert der Kondensatorspannung wird an einen Schwellwertschalter 40 weitergeleitet, der den Wert empfängt. Der Schwellwertschalter 40 ist dazu ausgelegt, ein Umschaltsignal an die Schaltersteuerung 42 zu senden, wenn die Kondensatorspannung eine obere Umschaltschwelle 43 oder eine untere Umschaltschwelle 44 erreicht, wie in 8b dargestellt. 8b zeigt einen zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung (auf der Ordinate 13) zwischen der oberen Umschaltschwelle 43 und der unteren Umschaltschwelle 44. Das Umschaltsignal zeigt der Schaltersteuerung 42 an, die Schaltelemente 22A bis 22D entsprechend zu schalten, um auf eine andere Teilbatterie 12-1, 12-2 umzuschalten. Dabei existiert ein Toleranzband 45 zwischen der oberen und unteren Umschaltschwelle 43, 44, das beispielsweise knapp unter der von der entsprechenden Teilbatterie 12-1, 12-2 bereitgestellten Teilspannung liegt.
Mit der in 8 gezeigten Ausführungsform des Batteriesystems 80 kann die Umschaltung über die Spannung geregelt werden. 9 zeigt ein Batteriesystem 90, das eine Regelung aufweist, die eine gezielte Umschaltung bei einem kleinen oder versiegten Stromfluss zulässt. Dazu weist das Batteriesystem 90 einen zusätzlichen Differenzierer 46 auf, der nun anstelle des Schwellwertschalters 40 den gemessenen Wert der Kondensatorspannung von dem Voltmeter 38 empfängt. Da der Stromfluss durch den Kondensator 18 proportional zu einer Zeitableitung der Spannung ist, stellt der Differenzierer 46 einen Wert des Stroms, der durch den Kondensator fließt bereit. Dieser Wert wird nun von dem Schwellwertschalter 40 empfangen, der wiederum die Schaltersteuerung 42 anweist, die Schaltelemente 22A bis 22D zu schalten, um eine Umschaltung auf eine entsprechend andere Teilbatterie 12-1, 12-2 bei einem kleinen oder versiegten Stromfluss, also bei einem Stromfluss, der nahe Null ist, zu bewirken. Es ist vorgesehen, dass ein Schaltvorgang der Schaltelemente bei einem Absolutwert des Stroms erfolgt, der geringer als ein Fünftel, insbesondere jedoch geringer als ein Fünfzigstel des Nennwerts des Stroms ist.
10 zeigt ein Batteriesystem 100, das gewissermaßen eine Kombination des Batteriesystems 80 aus 8 und des Batteriesystems 90 aus 9 darstellt. Der von dem Voltmeter 38 gemessene Wert der Kondensatorspannung wird von dem Differenzierer 46 und einer logischen Verknüpfung 48 empfangen. Der von dem Differenzierer 46 bereitgestellte Wert des Stroms wird dabei als eine Sperre verwendet, um möglichst nur bei niedrigen Strömen nahe Null umzuschalten. Dabei darf bei niedrigen Strömen auch mit einer hohen Umschaltrate umgeschaltet werden.
Zur Erinnerung sei noch einmal darauf hingewiesen, dass ein Umschalten bei hohen Strömen Verlustströme erzeugt und Energieverluste in Form von Wärme auftreten. Beide Verluste verursachen Kosten. Auch ein Ungleichgewicht in der Ladung bzw. Entladung und/oder Belastung der Batterie 12 verursacht Kosten, beispielsweise durch ein gezieltes Entladen einer Teilbatterie 12-1, 12-2, um ein Gleichgewicht herzustellen (Balancing). Die Schaltersteuerung 42 ist dazu ausgelegt, einen Faktor zu berechnen, der anzeigt, welche Variante günstiger ist, also weniger Kosten verursacht. Der Faktor zeigt also an, ob ein Umschalten auf eine andere Teilbatterie 12-1, 12-2 weniger Kosten verursacht als weiterhin in einem aktuellen Schaltungszustand zu bleiben, oder ob der aktuelle Schaltungszustand weniger Kosten verursacht als ein Umschalten auf eine andere Teilbatterie 12-1, 12-2. Die Schaltersteuerung 42 bewirkt eine Umschaltung nur dann, wenn ein Kostenvorteil erzielt wird.
Dieser Faktor kann vorhersagend gestaltet sein, d. h. der berechnete Faktor wird für einen gewissen Zeitbereich in der Zukunft abgeschätzt. Dieser Zeitbereich kann einige Millisekunden bis einige Sekunden betragen. Eine Abschätzung für die Zukunft beruht dabei bei einem Ladebetrieb der Batterie 12 auf den nahezu konstanten Strömen und bei Energieentnahme aus der Batterie 12 durch dynamische Verbraucher, die an den Ausgangsklemmen 24A bis 24D angeschlossen sind, auf den Durchschnittsleistungen der Verbraucher.
Die vorgestellten erfindungsgemäßen Batteriesysteme 10, 50, 60, 70, 80, 90, 100 gestatten den Einsatz von Halbleitern, die nicht aktiv abschaltbar sind, aber eine hohe Leistungsdichte und geringe Verluste erlauben, da eine Kommutierung eine automatische Abschaltung verursacht. Solche Halbleiterelemente sind beispielsweise Thyristoren, Triacs, usw.
Aufgrund der langsam abnehmenden Ströme und/oder Spannungen vor dem Umschaltvorgang, entfallen große Strom- und/oder Spannungstransienten während des Umschaltvorgangs, die zu kapazitiver oder induktiver Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen führen könnten. Man spricht dabei von elektromagnetischer Kompatibilität oder elektromagnetischer Interferenz. Stattdessen definiert die wohldefinierte und langsamere Dynamik der ZCS/ZVS-Schaltung das Abschaltverhalten, das aufgrund der geringen Zeitableitungen um viele Größenordnungen geringer ausgeformt werden kann.
Auch wegen der nahezu strom- und/oder spannungsfreien Umschaltung der Leistungsschalter, muss kein nennenswerter Stromfluss während der Umschaltung über Schutzbeschaltungen aufrecht erhalten werden, damit die entsprechenden Schaltelemente nicht zerstört werden, und/oder der Abstand zur maximalen Sperrspannung des Halbleiter-Schaltelements ist aufgrund der geringen Spannung am Umschaltzeitpunkt so groß, dass die Situation deutlich harmloser ist.
Durch die Umschaltung bei geringem Strom und/oder Spannung zum Umschaltzeitpunkt an einem Schaltelement, werden die Schaltverluste effektiv um einen Faktor größer 1 verringert und eine hohe Umschaltrate bei vernachlässigbar geringen Schaltverlusten ermöglicht. Aufgrund der kapazitiven Kopplung der Batterieabgriffe 14 zum schaltverlustfreien Verhalten, erzwingt der kapazitive Speicher 18 einen nahezu perfekten Ausgleich der Ladungsentnahme an den einzelnen Batterieabgriffen 14, 16-1, 16-2. Insbesondere erfolgt der Ladungsausgleich bei zeitlich stark fluktuierenden Lastströmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011077664 A1 [0005]
DE 102013001466 A1 [0006]
DE 102014012068 A1 [0007]
EP 2506390 A1 [0008]
EP 1901412 A2 [0009]
EP 2053717 A2 [0010]
WO 2013037633 A2 [0011]
EP 0584622 A1 [0057]
DD 295450 A5 [0057]
DE 3247707 A1 [0057]
US 2015/0036253 [0057]
US 2014/0334201 [0057]

Claims

Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) mit – einer Batterie (12) mit mindestens einer ersten Teilbatterie (12-1), mindestens einer zweiten Teilbatterie (12-2) und einem Mittelabgriff (14) zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Teilbatterie (12-1, 12-2), – einem Leistungsumschalter (26) mit einer Mehrzahl von Schaltelementen (22A, 22B, 22C, 22D) zum Umschalten zwischen der mindestens einen ersten Teilbatterie (12-1) und der mindestens einen zweiten Teilbatterie (12-2), und – mindestens einem Paar Ausgangsklemmen (24A, 24B, 24C, 24D), das mit der Batterie (12) elektrisch verbunden ist, wobei an dem Mittelabgriff (14) ein erster kapazitiver Speicher (18) angeordnet ist, der eine Speicherspannung aufweist, die sich über einen entsprechenden Zeitraum entsprechend einer von der ersten und/oder zweiten Teilbatterie (12-1, 12-2) bereitgestellten ersten und/oder zweiten Teilbatteriespannung einstellt, wobei während des Zeitraums des Einstellens der Speicherspannung ein Speicherstrom ausgehend von einem Maximalwert hin zu einem Wert Null abnimmt, wobei eine Umschaltung mindestens eines der Mehrzahl von Schaltelementen (22A, 22B, 22C, 22D) zur Umschaltung von der mindestens einen ersten Teilbatterie (12-1) auf die mindestens eine zweite Teilbatterie (12-2) in dem Zeitpunkt vorzunehmen ist, in dem der Speicherstrom im Wesentlichen Null ist bzw. die Speicherspannung im Wesentlichen einen Maximalwert erreicht hat.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 1, bei dem die Schaltelemente (22A, 22B, 22C, 22D) Niederfrequenzumschalter sind.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens eine Ausgangsklemme (24A, 24B, 24C, 24D) des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen mindestens eine erste Induktivität (34) aufweist.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zwischen dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen ein zweiter kapazitiver Speicher (36) angeordnet ist.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 3 und 4, bei dem der zweite kapazitive Speicher (36) jeweils vor oder nach der jeweiligen mindestens einen ersten Induktivität (34) der Ausgangklemmen angeordnet ist.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der zweite kapazitive (36) Speicher ein polarer Kondensator ist, der einen Pluspol und einen Minuspol aufweist.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem jede Ausgangsklemme (24A, 24B, 24C, 24D) des mindestens einen Paars Ausgangsklemmen eine zweite Induktivität (35) aufweist, wobei der zweite kapazitive Speicher (36) zwischen den ersten und zweiten Induktivitäten (34, 35) angeordnet ist.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem an dem ersten kapazitiven Speicher (18) ein Voltmeter (38) zum Messen einer Speicherspannung angeordnet ist.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 8, bei dem ein Schwellwertschalter (40) dazu ausgelegt ist, die gemessene Speicherspannung zu empfangen, wobei der Schwellwertschalter (40) eine Schaltersteuerung (42) anweist, sobald die Speicherspannung einen oberen oder unteren Umschaltschwellwert (43, 44) erreicht, mindestens ein Schaltelement (22A, 22B, 22C, 22D) der Mehrzahl von Schaltelementen (22A, 22B, 22C, 22D) zu schalten.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 8, bei dem ein Differenzierer (46) dazu ausgelegt ist, den Wert der gemessenen Speicherspannung zu empfangen und zu verarbeiten, wobei der verarbeitete Wert einem Schwellwertschalter (40) weiterzuleiten ist, der dazu ausgelegt ist, eine Schaltersteuerung (42) anzuweisen, sobald der verarbeitete Wert einen oberen oder unteren Umschaltschwellwert (43) erreicht, mindestens ein Schaltelement (22A, 22B, 22C, 22D) der Mehrzahl von Schaltelementen (22A, 22B, 22C, 22D) zu schalten.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 8, bei dem der Wert der gemessenen Speicherspannung einem Differenzierer (46) und einer logischen Verknüpfung (48) zuzuführen ist, wobei eine Schaltersteuerung (42) dazu ausgelegt ist, einen Faktor für einen Betrieb des Batteriesystems (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) in einem aktuellen Schaltungszustand zu ermitteln und einen Faktor für einen Betrieb des Batteriesystems (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) in einem Schaltungszustand nach einer Umschaltung zu ermitteln, wobei die Schaltersteuerung (42) dazu konfiguriert ist, die Schaltelemente (22A, 22B, 22C, 22D) oder den Leistungsumschalter (26) anzuweisen, den Betrieb des Batteriesystems (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) einzustellen, für den der ermittelte Faktor niedriger ist.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 11, bei dem die Schaltersteuerung (42) dazu konfiguriert ist, den Faktor für einen Zeitraum in der Zukunft abzuschätzen.
Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach Anspruch 12, bei dem der Zeitraum zwischen etwa einer Millisekunde und etwa fünf Sekunden in der Zukunft liegt.
Verfahren zum verlustarmen oder verlustfreien Umschalten von mindestens einem Schaltelement (22A, 22B, 22C, 22D) in einem Batteriesystem (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) mit einer Batterie (12) bestehend aus mindestens einer ersten Teilbatterie (12-1), mindestens einer zweiten Teilbatterie (12-2) und einem Mittelabgriff (14), einem Leistungsumschalter (26) mit dem mindestens einen Schaltelement (22A, 22B, 22C, 22D) und mindestens einem mit der Batterie (12) verbundenen Paar Ausgangsklemmen (24A, 24B, 24C, 24D), bei dem dem Mittelabgriff (14) ein kapazitiver Speicher (18) zugeordnet wird, der über einen entsprechenden Zeitraum mit einer von der ersten und/oder zweiten Teilbatterie (12-1, 12-2) bereitgestellten Teilspannung auf eine Speicherspannung geladen wird, wobei während des Zeitraums des Ladens der Speicherspannung ein Speicherstrom ausgehend von einem Maximalwert hin zu einem Wert Null abnimmt, wobei eine Umschaltung mindestens eines der Mehrzahl von Schaltelementen (22A, 22B, 22C, 22D) zur Umschaltung von der mindestens einen ersten Teilbatterie (12-1) auf die mindestens eine zweite Teilbatterie (12-2) in dem Zeitpunkt vorgenommen wird, in dem der Speicherstrom im Wesentlichen Null ist bzw. die Speicherspannung im Wesentlichen einen Maximalwert erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem als Schaltelemente (22A, 22B, 22C, 22D) Niederfrequenzumschalter verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem an dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen (24A, 24B, 24C, 24D) eine näherungsweise konstante und glatte Spannung durch Anordnen mindestens einer Induktivität (34) an mindestens einer Ausgansklemme (24A, 24B, 24C, 24D) des mindestens einen Paares Ausgangsklemmen bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem zwischen dem mindestens einen Paar Ausgangsklemmen ein zweiter kapazitiver Speicher (36) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 16 und 17, bei dem der zweite kapazitive Speicher (36) jeweils vor oder nach der jeweiligen mindestens einen ersten Induktivität angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem als zweiter kapazitiver Speicher (36) ein polarer Kondensator verwendet wird, der einen Pluspol und einen Minuspol aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem an mindestens einer Ausgangsklemme (24A, 24B, 24C, 24D) mindestens eine zweite Induktivität (35) angeordnet und der zweite kapazitive Speicher (36) zwischen der ersten und der zweiten Induktivität (34, 35) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20 bei dem an dem ersten kapazitiven Speicher (18) ein Voltmeter (38) zum Messen einer Speicherspannung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem von einem Schwellwertschalter (40) die gemessene Speicherspannung empfangen wird, wobei von dem Schwellwertschalter (40) eine Schaltersteuerung (42) angewiesen wird, sobald von der Speicherspannung ein oberer oder ein unterer Umschaltschwellwert (43, 44) erreicht wird, mindestens ein Schaltelement (22A, 22B, 22C, 22D) der Mehrzahl von Schaltelementen (22A, 22B, 22C, 22D) umzuschalten.
Verfahren nach Anspruch 21, bei von einem Differenzierer (46) der Wert der gemessenen Speicherspannung empfangen und verarbeitet wird, wobei der verarbeitete Wert einem Schwellwertschalter (40) weitergeleitet wird, von dem eine Schaltersteuerung (42) angewiesen wird, sobald der verarbeitete Wert einen oberen oder einen unteren Umschaltschwellwert (43, 44) erreicht, mindestens ein Schaltelement (22A, 22B, 22C, 22D) der Mehrzahl von Schaltelementen (22A, 22B, 22C, 22D) umzuschalten.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Wert der gemessenen Speicherspannung einem Differenzierer (46) und einer mathematischen Verknüpfung zugeführt wird, wobei von einer Schaltersteuerung (42) ein Faktor für einen Betrieb eines Batteriesystems (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem aktuellen Schaltungszustand und ein Faktor für einen Betrieb eines Batteriesystems (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Schaltungszustand nach einer Umschaltung ermittelt wird, wobei die Schaltersteuerung (42) die Schaltelemente (22A, 22B, 22C, 22D) oder den Leistungsumschalter (26) anweist, den Betrieb des Batteriesystems (10, 50, 60, 70, 80, 90, 100) einzustellen, für den der ermittelte Faktor niedriger ist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem von der Schaltersteuerung (42) der Faktor für einen Zeitraum in die Zukunft abgeschätzt wird.