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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Spannungsausgleich gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Die
WO 2011/138381 A2 beschreibt ein Verfahren zum Ladungsausgleich mehrerer in Reihe geschalteter Batteriezellen, die zu diesem Zweck gruppenweise induktiv mit einer Hilfsbatterie gekoppelt sind, wobei die Kopplungsdauer abhängig vom Ladezustand der jeweiligen Batteriegruppen gesteuert wird.
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Weiterhin beschreibt die
WO 2011/114247 A1 ein Verfahren zum Ladungsausgleich von Batterien in einer Parallelschaltung. Zum Ladungsausgleich wird hierbei ein DC-Wandler zwischen den jeweiligen Minuspolen der Batterien verwendet.
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Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen geht auch der Wunsch einher, HV-Batterien mit möglichst großem Energieinhalt bereitstellen zu können, um möglichst große Reichweiten des betreffenden Elektro- oder Hybridfahrzeugs erreichen zu können. Eine Möglichkeit, den Energieinhalt einer HV-Batterie zu erhöhen, besteht beispielsweise in der Parallelschaltung mehrerer Batteriestränge innerhalb einer HV-Batterie, wobei mit Batteriestrang eine Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen gemeint ist. Aufgrund unterschiedlicher Alterungsbedingungen der Zellen in den einzelnen Strängen und produkttechnisch bedingter Schwankungen bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen, kann es zu unterschiedlichen Selbstentladungen der einzelnen Zellen kommen. Bei geöffneten Schaltern zwischen den Batteriesträngen kann es dadurch zu einer Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Batteriesträngen kommen.
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Damit alle Stränge parallel betrieben werden können und die HV-Batterie somit die volle Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellen kann, muss die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Strängen möglichst klein sein. Die maximal zulässige Spannungsdifferenz zwischen den Strängen, um ein Zuschalten zu ermöglichen, ist nicht zuletzt abhängig von der vom Hersteller des Schaltelements spezifizierten, maximal zulässigen Schaltspannung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Spannungsausgleich bereitzustellen, mittels welchem sich ein möglichst effektiver Spannungsausgleich bewerkstelligen lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Spannungsausgleich mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Spannungsausgleich zwischen einem ersten Zellstrang und einem zweiten Zellstrang einer Batterie weist dabei den ersten Zellstrang umfassend mindestens eine erste Batteriezelle sowie den zweiten Zellstrang umfassend mindestens eine zweite Batteriezelle auf. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Plusanschluss und einen Minusanschluss auf, wobei der erste Zellstrang und der zweite Zellstrang parallel schaltbar sind und jeweils mit dem Plusanschluss und dem Minusanschluss koppelbar sind. Des Weiteren zeichnet sich die Schaltungsanordnung durch eine Transformatoreinheit aus, über welche der erste Zellstrang und der zweite Zellstrang induktiv miteinander koppelbar sind.
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Durch eine induktive Kopplung lässt sich ein besonders verlustarmer und dadurch effektiver Energietransfer zwischen dem ersten und zweiten Zellstrang bewerkstelligen. Weist beispielsweise der erste Zellstrang eine höhere Spannung auf als der zweite Zellstrang, so kann beispielsweise durch einen Entladestrom des ersten Zellstrangs eine Spannung am zweiten Zellstrang induziert werden, der ein Laden dieses bewirkt. Gleiches gilt auch in umgekehrter Weise. Ein solcher Spannungsausgleich, falls erforderlich, findet dabei insbesondere statt, bevor der erste und der zweite Zellstrang parallelgeschaltet werden, sodass vorteilhafterweise Vorgaben bezüglich maximal zulässiger Schaltspannungen eingehalten werden können.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Zellstrang einen ersten Minuseingang auf, der mit einem Minuspol der mindestens einen ersten Batteriezelle gekoppelt ist, und einen ersten Plusausgang, der mit einem Pluspol der mindestens einen ersten Batteriezelle gekoppelt ist, und der zweite Zellstrang weist einen zweiten Minuseingang auf, der mit einem Minuspol der mindestens einen zweiten Batteriezelle gekoppelt ist, und einen zweiten Plusausgang, der mit einem Pluspol der mindestens einen zweiten Batteriezelle gekoppelt ist. Dabei weist die Schaltungsanordnung weiterhin ein erstes Plusschaltelement auf, über welches der erste Plusausgang mit dem Plusanschluss koppelbar ist, ein erstes Minusschaltelement, über welches der erste Minusausgang mit dem Minusanschluss koppelbar ist, ein zweites Plusschaltelement, über welches der zweite Plusausgang mit dem Plusanschluss koppelbar ist, und ein zweites Minusschaltelement, über welches der zweite Minuseingang mit dem Minusanschluss koppelbar ist, wobei bei geschlossenen ersten und zweiten Plus- und Minusschaltelementen der erste Zellstrang parallel zum zweiten Zellstrang geschaltet ist. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise der erste und zweite Zellstrang mit dem betreffenden Plus- und Minusanschluss der Schaltungsanordnung koppeln und entkoppeln.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Transformatoreinheit einen ersten Transformatorteil auf, welcher eine über ein erstes Transformator-Schaltelement zum ersten Zellstrang parallel schaltbare erste Spule umfasst, und einen zweiten Transformatorteil, welcher eine über ein zweites Transformatorschaltelement zum zweiten Zellstrang parallel schaltbare zweite Spule umfasst. Die beiden Spulen können dadurch vorteilhafterweise je nach Bedarf über ein Schließen der betreffenden Transformatorschaltelemente induktiv miteinander gekoppelt werden, sodass durch den ersten Zellstrang eine Spannung in dem zweiten Zellstrang oder umgekehrt induziert werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zur ersten und zweiten Spule jeweils eine Diode, insbesondere eine Freilaufdiode, geschaltet. Diese dient vorteilhafterweise zum Schutz vor Überspannungen beziehungsweise Spannungsspitzen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, das erste und zweite Transformatorschaltelement in Abhängigkeit von einem Spannungsunterschied zwischen dem ersten Zellstrang und dem zweiten Zellstrang anzusteuern, insbesondere wechselseitig zu öffnen und zu schließen. Dabei kann vorteilhafterweise gemäß der Schaltfrequenz der Transformatorschaltelemente die Richtung des Energieflusses reguliert werden. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, Energie von Strängen mit geringerem Potential in Richtung eines Strangs mit höherem Potential zu übertragen.
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Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn mehr als zwei Stränge parallelgeschaltet sind. Somit lässt sich Energie von jedem beliebigen Strang in vorbestimmter Weise in einen anderen Strang überführen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Strangausgleich zwischen einem ersten Zellstrang umfassend mindestens eine erste Batteriezelle und einem zweiten Zellstrang umfassend mindestens eine zweite Batteriezelle einer Schaltungsanordnung einer Batterie, wobei die Schaltungsanordnung weiterhin einen Plusanschluss und einen Minusanschluss aufweist. Dabei sind der erste Zellstrang und der zweite Zellstrang parallel schaltbar und jeweils mit dem Plusanschluss und dem Minusanschluss koppelbar. Darüber hinaus werden der erste Zellstrang und der zweite Zellstrang induktiv miteinander gekoppelt.
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Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und ihren Ausgestaltungen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch weitere Verfahrensschritte.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10 zum Spannungsausgleich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Schaltungsanordnung 10 stellt die einer exemplarischen Batterie mit zwei Strängen, einem ersten Zellstrang 12 und einem zweiten Zellstrang 14, dar. Der erste und zweite Zellstrang 12, 14 umfassen dabei jeweils einen Zellstapel mehrerer in Reihe geschalteter einzelner Batteriezellen 12a, 14a, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Schaltungsanordnung 10 weist weiterhin einen HV-Pluspfad 16 mit einem Plusanschluss 18 zum Zwischenkreis auf, sowie einen HV-Minuspfad 20 mit einem Minusanschluss 22 zum Zwischenkreis.
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Weiterhin sind der erste Zellstrang 12 und der zweite Zellstrang 14 über entsprechende Schalteinrichtungen parallel schaltbar und jeweils mit dem Plusanschluss 18 und dem Minusanschluss 22 koppelbar. Dazu ist insbesondere ein erstes Plusschaltelement 24 vorgesehen, über welches einen Plusausgang 26 des ersten Zellstrangs 12 mit dem Plusanschluss 18 koppelbar ist, ein erstes Minusschaltelement 28, über welches einen Minuseingang 30 des ersten Zellstrangs 12 mit dem Minusanschluss 22 koppelbar ist, ein zweites Plusschaltelement 32, über welches einen zweiten Plusausgang 34 mit dem Plusanschluss 18 koppelbar ist, sowie ein zweites Minusschaltelement 36, über welches einen zweiten Minuseingang 38 mit dem Minusanschluss 22 koppelbar ist.
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Um die beiden Stränge, das heißt den ersten Zellstrang 12 und den zweiten Zellstrang 14, auf die beiden HV-Pfade 16 und 20 zusammenschalten zu können, sollten diese nahezu die gleiche Spannung aufweisen. Für einen solchen Spannungsausgleich ist nun vorteilhafterweise eine Transformatoreinheit 40 vorgesehen. Diese Transformatoreinheit 40 weist dabei einen ersten Transformatorteil umfassend eine erste Spule 42 auf, welche über ein erstes Transformatorschaltelement 44 parallel zum ersten Zellstrang 12 schaltbar ist, sowie einen zweiten Transformatorteil mit einer zweiten Spule 46, welche über ein zweites Transformatorschaltelement 48 parallel zum zweiten Zellstrang 14 schaltbar ist. Diese Spulen 42, 46 sind dabei induktiv gekoppelt und stellen den mit 50 bezeichneten Transformator bereit. Des Weiteren sind parallel zu den betreffenden Spulen 42, 46 jeweilige Freilaufdioden 52, 54 geschaltet.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Transformatorschaltelemente 44, 48 für den Strangausgleich vom ersten Zellstrang 12 und vom zweiten Zellstrang 14 entgegengesetzt betrieben werden, das heißt, wenn das erste Transformatorschaltelement 44 geschlossen ist, ist das zweite Transformatorschaltelement 48 geöffnet. Bei diesen Transformatorschaltelementen 44, 48 handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschalter, wie beispielsweise MOSFETs, um eine hohe Schaltfrequenz erzielen und die Schaltungsanordnung 10 möglichst platzsparend ausführen zu können.
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Weist beispielsweise der erste Zellstrang 12 eine höhere Spannung auf als der zweite Zellstrang 14, so kann durch Taktung des ersten Transformatorschaltelements 44 dem ersten Zellstrang 12 ein (Entlade-)Strom, das heißt Energie, entnommen werden. Dadurch wird in der Primärspule des Transformators 50, das heißt in der ersten Spule 42, eine Spannung induziert, die einen (Lade-)Strom auf der Sekundärseite zur Folge hat.
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Dieser fließt durch das zweite Transformatorschaltelement 48 in den Zellstapel des zweiten Zellstrangs 14 und lädt diesen auf.
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Gemäß der Schaltfrequenz der Transformatorschaltelemente 44, 48 kann die Richtung des Energieflusses reguliert werden, das heißt, ob Energie dem ersten Zellstrang 12 entnommen und dem zweiten Zellstrang 14 zugeführt werden soll oder umgekehrt.
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Im Gegensatz zu anderen Strangausgleichsschaltungen, beispielsweise mittels Widerstand, stellt diese Schaltungsanordnung 10 aufgrund der verwendeten Bauteile eine sehr verlustarme und damit effiziente Möglichkeit dar, einen Strangausgleich durchzuführen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Energieaufwand von Strängen mit geringerem Potential in Richtung eines Strangs mit höherem Potential zu übertragen. Dadurch kann die hier beschriebene Schaltungsanordnung 10 auch bei Batterien mit mehr als zwei Strängen eingesetzt werden. Dann ist zwischen weiteren Strängen, beispielsweise zwischen dem zweiten Zellstrang 14 und einem dritten Zellstrang, beziehungsweise zwischen Strang n und Strang n + 1, ebenfalls die beschriebene Schaltungsanordnung, das heißt die beschriebene Transformatoreinheit 40, einzubringen. Bei einer solchen Schaltungsanordnung wäre es dann möglich, Energie einem beliebigen Strang zu entnehmen und den nächstgelegenen Strang damit zu laden. Diese Energie kann wiederum entnommen und einem nächsten Strang zugeführt werden. Somit lässt sich Energie von jedem beliebigen Strang in einen anderen Strang überführen.
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Aufgrund der galvanischen Trennung durch den Transformator 50 entstehen zusätzliche Freiheiten bei der Auslegung der einzelnen Stränge. Diese könnten beispielsweise auch in Reihe geschaltet sein und dennoch wäre ein Strangausgleich möglich.
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Somit werden insgesamt eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Strangausgleich bereitgestellt, welche auf besonders verlustarme, effiziente und flexibel einsetzbare Weise einen Spannungsabgleich zwischen zwei oder mehreren Batteriesträngen ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 12
- erster Zellstrang
- 12a
- Batteriezelle
- 14
- zweiter Zellstrang
- 14a
- Batteriezelle
- 16
- HV-Plus-Pfad
- 18
- Plusanschluss
- 20
- HV-Minus-Pfad
- 22
- Minusanschluss
- 24
- erstes Plus-Schaltelement
- 26
- erster Plus-Ausgang
- 28
- erstes Minus-Schaltelement
- 30
- erster Minus-Eingang
- 32
- zweites Plus-Schaltelement
- 34
- zweiter Plus-Ausgang
- 36
- zweites Minus-Schaltelement
- 38
- zweiter Minus-Eingang
- 40
- Transformatoreinheit
- 42
- erste Spule
- 44
- erstes Transformator-Schaltelement
- 46
- zweite Spule
- 48
- zweites Transformator-Schaltelement
- 50
- Transformator
- 52
- Freilaufdiode
- 54
- Freilaufdiode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/138381 A2 [0002]
- WO 2011/114247 A1 [0003]
