DE102016209400A1

DE102016209400A1 - Akkusystem für eine Wechselspannungsbatterie, mit mehreren Sätzen von Polschaltern

Info

Publication number: DE102016209400A1
Application number: DE102016209400.9A
Authority: DE
Inventors: Manfred Baumgärtner; Andreas Gareis
Original assignee: Whiterock AG
Current assignee: Whiterock AG
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Akkusystem (10) für eine Wechselspannungsbatterie (56) umfassend: – mehrere Akkumodule (12.1–12.8), die jeweils zwei Akkupole (14.1–14.8, 16.1–16.8) aufweisen, – mehrere Modulschalter (18.1–18.8) zur Verbindung benachbarter Akkumodule, – wenigstens zwei Anschlusspole (22a–d), – für jeden Anschlusspol (22a–d) jeweils wenigstens einen Satz (30a–d, 36a–d, 50a–c, 54a–c) von Polschaltern (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8), wobei der Satz für jedes Akkumodul einen Polschalter aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des Satzes einen Akkupol eines zugehörigen Akkumoduls mit dem zugehörigen Anschlusspol verbindet, und wobei die über die des Satzes mit dem zugehörigen Anschlusspol verbundenen Akkupole gleichnamig sind, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen ersten Satz (30a–d) von Polschaltern (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8) aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des ersten Satzes einen erstnamigen Akkupol (14.1–14.8) eines zugehörigen Akkumoduls mit dem zugehörigen Anschlusspol verbindet, und dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen zweiten Satz (36a–d) von Polschaltern (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8) aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des zweiten Satzes einen zweitnamigen Akkupol (16.1–16.8) eines zugehörigen Akkumoduls mit dem zugehörigen Anschlusspol verbindet. Die Erfindung gibt ein Akkusystem für eine Wechselspannungsbatterie an, das einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Akkusystem für eine Wechselspannungsbatterie umfassend:

– mehrere Akkumodule, die jeweils zwei Akkupole aufweisen,
– mehrere Modulschalter, über die gegengleiche Akkupole aufeinanderfolgend benachbarter Akkumodule miteinander verbunden sind,
– wenigstens zwei Anschlusspole,
– für jeden Anschlusspol jeweils wenigstens einen Satz von Polschaltern, wobei der Satz für jedes Akkumodul einen Polschalter aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des Satzes einen Akkupol eines zugehörigen Akkumoduls mit dem zugehörigen Anschlusspol verbindet, und wobei die über die Polschalter des Satzes mit dem zugehörigen Anschlusspol verbundenen Akkupole gleichnamig sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Wechselspannungsbatterie mit einem solchen Akkusystem und eine Verwendung eines Akkusystems bzw. einer Wechselspannungsbatterie.

Elektrische Energie wird in den meisten Ländern der Erde über Wechselspannungsnetze bereitgestellt, beim Endverbraucher meist mit einer Nennspannung von 110–240 V und einer Sollfrequenz von 50–60 Hz. Die Zwischenspeicherung elektrischer Energie gewinnt angesichts der Erzeugung derselben aus regenerativen Quellen, insbesondere aus Wind- oder Sonnenenergie, zunehmend an Bedeutung, da Energieerzeugung und Energieverbrauch oft nicht synchron ablaufen. Zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie werden verbreitet elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Akkumulatoren, eingesetzt. Akkuzellen arbeiten jedoch auf Gleichspannungsbasis. Es sind daher aufwendige und mit Wirkungsgradverlusten behaftete Wechselrichter erforderlich, um Akkuzellen aus einem Wechselspannungsnetz laden zu können und um Energie aus diesen in ein Wechselspannungsnetz einspeisen zu können.
Aus der US 8,536,734 B1 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von DC-Spannung in AC-Spannung bekannt geworden. Eine Reihe von DC-Spannungsquellen, etwa Batterien, ist über erste Leistungsschalter in unterschiedlicher Anzahl seriell verschaltbar. Über zweite und dritte Leistungsschalter kann jeweils ein Ort zwischen DC-Spannungsquellen auf einen Bus geschaltet werden. Über vierte Leistungsschalter in einer H-Brücke kann die Polarität der Busse gegenüber zwei Ausgangsanschlüssen invertiert werden. Mittels einer Steuervorrichtung kann eine gestufte Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen erzeugt werden. Die Vorrichtung dient einer lokalen Bereitstellung von Wechselspannung für Verbraucher. Die DC-Stromquellen können an einer Wechselstromquelle nachgeladen werden.
Der Stromfluss zwischen den DC-Spannungsquellen und einem der Ausgangsanschlüsse erfolgt dabei jeweils durch zwei hintereinandergeschaltete Leistungsschalter, nämlich einen zweiten und vierten Leistungsschalter einerseits und einen dritten und vierten Leistungsschalter andererseits. Im geschlossenen Stromkreis muss der Strom somit zusätzlich zu den in Reihe geschalteten DC-Stromquellen und den dazu verwendeten ersten Leistungsschaltern durch insgesamt vier weitere (einen zweiten, einen dritten und zwei vierte) Leistungsschalter fließen. Die vier weiteren Leistungsschalter weisen jeweils einen elektrischen Widerstand auf, so dass in jedem der Leistungsschalter eine Verlustleistung anfällt, was den Wirkungsgrad verringert.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Akkusystem für eine Wechselspannungsbatterie und eine Wechselspannungsbatterie mit einem Akkusystem anzugeben, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweisen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung eines Akkusystems bzw. einer Wechselspannungsbatterie anzugeben, bei der nur eine geringe Verlustleistung anfällt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Akkusystem der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen ersten Satz von Polschaltern aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des ersten Satzes einen erstnamigen Akkupol eines zugehörigen Akkumoduls mit dem zugehörigen Anschlusspol verbindet, und dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen zweiten Satz von Polschaltern aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des zweiten Satzes einen zweitnamigen Akkupol eines zugehörigen Akkumoduls mit dem zugehörigen Anschlusspol verbindet.
Indem für jeden Anschlusspol ein erster und ein zweiter Satz von Polschaltern vorgesehen sind, wird es ermöglicht, jeden der Anschlusspole über jeweils nur einen Polschalter auf die erst- und zweitnamigen Akkupole eines jeden Akkumoduls zu schalten. Ein Stromfluss zwischen einem der Akkupole und einem der Anschlusspole kann somit durch nur einen Polschalter eingerichtet werden. Im geschlossenen Stromkreis muss der Strom somit nur durch zwei Polschalter (einen pro Anschlusspol im Stromkreis) fließen. Das erfindungsgemäße Akkusystem weist somit einen geringen Innenwiderstand auf, wodurch die Verlustleistung im Betrieb verringert wird. Mithin zeichnet sich das erfindungsgemäße Akkusystem durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus.
Über die ersten und zweiten Sätze von Polschaltern kann die Polarität der auf einen jeweiligen Anschlusspol geschalteten Spannung der Akkumodule frei gewählt werden. Um die an einem jeweiligen Anschlusspol anliegende Polarität zu ändern, muss lediglich von einem geschlossenen (leitend geschalteten) Polschalter des ersten Satzes auf einen geschlossenen Polschalter des zweiten Satzes bzw. umgekehrt gewechselt werden. Für einen der Anschlusspole eines Paars von Anschlusspolen ist ein Polschalter seines ersten Satzes geschlossen, während für den anderen Anschlusspol des Paars ein Polschalter seines zweiten Satzes geschlossen ist.
Mit anderen Worten wurde erfindungsgemäß erkannt, dass auf eine verlustbehaftete Umpolungsschaltung, etwa in Form einer H-Brücke von leistungselektronischen Schaltern, verzichtet werden kann, wenn für jeden Anschlusspol und jeden Akkupol eines jeden Akkumoduls je ein separater Polschalter vorgesehen ist. Alle erstnamigen Akkupole sind über je einen der Polschalter der ersten Sätze der Anschlusspole mit einem jeden Anschlusspol verbunden. Alle zweitnamigen Akkupole sind entsprechend über je einen der Polschalter der zweiten Sätze mit einem jeden Anschlusspol verbunden.
Der Verzicht auf eine H-Brücke oder eine andersartige Umpolungsschaltung und das Vorsehen erster und zweiter Sätze von Polschaltern für jeden Anschlusspol kann auch die Steuerung von Schaltzuständen des Akkusystems vereinfachen.
Über die Modulschalter können mehrere Akkumodule in Reihe geschaltet werden, indem die Modulschalter zwischen gegengleichen Akkupolen aufeinanderfolgend benachbarter Akkumodule geschlossen werden. Dadurch kann der Betrag der zwischen einem Paar von Anschlusspolen anliegenden Spannung eingestellt werden. Die Anschlusspole des Paars sind dabei jeweils mittels eines Polschalters auf die in Reihe geschalteten Akkumodule (bzw. ggf. auch nur eines der Akkumodule) geschaltet.
Ein einzelnes Akkumodul des Akkusystems kann eine oder mehrere Akkuzellen umfassen, wobei die Akkuzellen in einer Reihenschaltung, Parallelschaltung oder einer kombinierten Parallel-/Reihenschaltung angeordnet sein können. Die Akkumodule sind wiederaufladbar und speichern elektrische Energie insbesondere auf elektrochemische Weise. Insbesondere können die Akkumodule bzw. deren Akkuzellen als Lithium-Ionen-Akkus ausgebildet sein.
Die Akkumodule können jeweils eine Nennspannung (Maximalspannung im voll geladenen Zustand) von mehr als 10 V, bevorzugt mehr als 20 V, besonders bevorzugt mehr als 30 V aufweisen. Weiterhin können die Akkumodule eine Nennspannung von weniger als 80 V, bevorzugt weniger als 60 V, besonders bevorzugt weniger als 50 V aufweisen. Vorzugsweise beträgt die Nennspannung der Akkumodule jeweils 48 V. Alternativ kann die Nennspannung der Akkumodule vorteilhafterweise jeweils 38 V betragen. Typischerweise sind alle Akkumodule des Akkusystems gleichartig ausgebildet. Das Akkusystem umfasst vorzugsweise wenigstens 8 Akkumodule, bevorzugt wenigstens 16 Akkumodule, besonders bevorzugt wenigstens 32 Akkumodule, ganz besonders bevorzugt wenigstens 64 Akkumodule.
Über die Anschlusspole kann das Akkusystem mit einem externen Verbraucher oder einem Wechselspannungsnetz verbunden werden. Über zwei Anschlusspole (ein Paar von Anschlusspolen) kann das Akkusystem insbesondere einphasige Wechselspannung bereitstellen.
Vorzugsweise sind die Anschlusspole über die Polschalter der ersten und zweiten Sätze direkt mit den Akkupolen der Akkumodule verbunden. Eine Verbindung zwischen einem der Anschlusspole und einem der Akkupole ist dann über je genau einen Polschalter eines der Sätze eingerichtet. Insbesondere sind keine weiteren Schalter in Reihe mit dem Polschalter zwischen einem der Anschlusspole und einem der Akkupole angeordnet. Typischerweise sind auch keine sonstigen elektrischen Bauelemente, ggf. außer Messeinrichtungen, insbesondere Strommessgeräten, in Serie mit dem jeweils einen Polschalter zwischen einem der Anschlusspole und einem der Akkupole angeordnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet „über einen Schalter verbunden”, dass eine elektrisch leitende Verbindung durch Schließen des Schalters eingerichtet bzw. durch Öffnen des Schalters unterbrochen werden kann. „Auf einen Pol geschaltet” bedeutet, dass ein entsprechender Schalter geschlossen (leitend) ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen ersten Anschlussbus aufweist, der direkt mit dem jeweiligen Anschlusspol verbunden ist, und dass der erste Anschlussbus über den ersten Satz von Polschaltern des jeweiligen Anschlusspols direkt mit den erstnamigen Akkupolen eines jeden Akkumoduls verbunden ist. Dies vereinfacht den Aufbau des Akkusystems. Zwischen einem Anschlusspol und seinem ersten Anschlussbus sind keine Schalter angeordnet. Die Polschalter eines der ersten Sätze verbinden einen der ersten Anschlussbusse jeweils mit allen erstnamigen Akkupolen. Der erste Anschlussbus vermittelt eine elektrische Verbindung zwischen dem zugehörigen Anschlusspol und den erstnamigen Akkupolen. Der erste Anschlussbus ist vorzugsweise als Leiter mit einem äußerst geringen elektrischen Widerstand ausgebildet, beispielsweise aus Kupfer.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussbus eines jeden Anschlusspols weiterhin über den zweiten Satz von Polschaltern des jeweiligen Anschlusspols mit den zweitnamigen Akkupolen eines jeden Akkumoduls direkt verbunden ist. Dadurch wird der Aufbau des Akkusystems weiter vereinfacht. Die Polschalter eines der zweiten Sätze verbinden einen der ersten Anschlussbusse jeweils auch mit allen zweitnamigen Akkupolen. Der erste Anschlussbus vermittelt dann weiterhin eine elektrische Verbindung zwischen dem zugehörigen Anschlusspol und den zweitnamigen Akkupolen.
Eine vorteilhafte, alternative Weiterbildung sieht vor, dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen zweiten Anschlussbus aufweist, der direkt mit dem jeweiligen Anschlusspol verbunden ist, und dass der zweite Anschlussbus über den zweiten Satz von Polschaltern des jeweiligen Anschlusspols mit den zweitnamigen Akkupolen eines jeden Akkumoduls direkt verbunden ist. Dadurch kann ein besonders übersichtlicher Aufbau des Akkusystems erhalten werden. Dies kann zur Vereinfachung der Fertigung beitragen. Zwischen einem Anschlusspol und seinem zweiten Anschlussbus sind keine Schalter angeordnet. Die Polschalter eines der zweiten Sätze verbinden einen der zweiten Anschlussbusse jeweils mit allen zweitnamigen Akkupolen. Der zweite Anschlussbus vermittelt eine elektrische Verbindung zwischen dem zugehörigen Anschlusspol und den zweitnamigen Akkupolen. Der zweite Anschlussbus ist vorzugsweise als Leiter mit einem äußerst geringen elektrischen Widerstand ausgebildet, beispielsweise aus Kupfer.
In einer Weiterentwicklung dieser Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen dritten Satz von Polschaltern aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des dritten Satzes einen zweitnamigen Akkupol eines zugehörigen Akkumoduls mit dem ersten Anschlussbus direkt verbindet, und dass das Akkusystem für jeden Anschlusspol einen vierten Satz von Polschaltern aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter des vierten Satzes einen erstnamigen Akkupol eines zugehörigen Akkumoduls mit dem zweiten Anschlussbus direkt verbindet. Mithin ist jeder der ersten Anschlussbusse mit allen erstnamigen Akkupolen über Polschalter der ersten Sätze und mit allen zweitnamigen Akkupolen über Polschalter der vierten Sätze verbunden. Jeder der zweiten Anschlussbusse ist entsprechend über Polschalter der vierten Sätze mit allen erstnamigen Akkupolen und über Polschalter der zweiten Sätze mit allen zweitnamigen Akkupolen verbunden. Dadurch kann die Belastung der Anschlussbusse im Betrieb des Akkusystems verringert werden. Insbesondere können die Anschlussbusse auf eine geringere Stromtragfähigkeit ausgelegt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem drei Anschlusspole aufweist. An den drei Anschlusspolen kann mit dem Akkusystem insbesondere eine Dreieckschaltung betrieben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Akkusystem vier Anschlusspole aufweist. An den vier Anschlusspolen kann insbesondere eine Sternschaltung betrieben werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumodule über die Modulschalter zu einem geschlossenen Schaltring verbunden sind. Die Anzahl der Modulschalter entspricht dann der Anzahl der Akkumodule. Dies erhöht die Flexibilität bei der Bildung von Gruppen in Reihe geschalteter Akkumodule, die auf ein Paar von Anschlusspolen geschaltet werden. Es kann insbesondere eine Gruppe in Reihe geschalteter Akkumodule rollierend über den Schaltring verschoben werden. Dadurch können alle Akkumodule gleichmäßig belastet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Polschalter und die Modulschalter jeweils mindestens ein Halbleiter-Schaltelement umfassen, bevorzugt jeweils wenigstens vier, besonders bevorzugt jeweils wenigstens acht, parallel zueinander geschaltete Halbleiter-Schaltelemente umfassen, insbesondere wobei die parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelemente jeweils gemeinsam öffenbar und schließbar sind. Dadurch kann der elektrische Widerstand der Pol- und Modulschalter gesenkt werden. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Akkusystems weiter. Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise jeweils als ein MOSFET oder IGBT ausgebildet. Um Kosten zu sparen, können in einer vereinfachten Ausführungsform nur die Modulschalter mit mehreren parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelementen ausgebildet sein.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Wechselspannungsbatterie umfassend ein erfindungsgemäßes Akkusystem, insbesondere wobei die Anschlusspole für eine Steckverbindung ausgebildet sind. Die Wechselspannungsbatterie umfasst vorzugsweise auch eine Steuereinheit und ein Gehäuse, in dem das Akkusystem und ggf. die Steuereinheit angeordnet sind. Die Steuereinheit besorgt insbesondere das Öffnen und Schließen der Pol- und Modulschalter. Die Steuereinheit kann ferner Überwachungsfunktionen, etwa bezüglich des Ladezustands der Akkumodule, durchführen. Die Steckverbindung für die Anschlusspole ist vorzugsweise in einem genormten Stecker oder in einer entsprechenden Steckdose ausgebildet, der oder die alle Anschlusspole des Akkusystems umfasst. Optional kann die Wechselspannungsbatterie auch mehrere Steckverbindungen aufweisen, die mit den Anschlusspolen direkt verbunden sind, beispielsweise zumindest eine Steckdose und zumindest einen Stecker.
Erfindungsgemäße Verwendung eines Akkusystems bzw. einer Wechselspannungsbatterie
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Akkusystems oder einer erfindungsgemäßen Wechselspannungsbatterie, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem ersten Schaltzustand für ein Paar von Anschlusspolen eine Teilmenge der Akkumodule, die durch ein oder mehrere mittels der Modulschalter in Reihe geschalte Akkumodule gebildet wird, auf einen ersten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des ersten Satzes des ersten Anschlusspols und auf einen zweiten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des zweiten Satzes des zweiten Anschlusspols in einer ersten Polung geschaltet wird, und dass in einem zweiten Schaltzustand für das Paar von Anschlusspolen die Teilmenge der Akkumodule auf den ersten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des zweiten Satzes des ersten Anschlusspols und auf den zweiten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des ersten Satzes des zweiten Anschlusspols in einer zweiten Polung, die zur ersten Polung umgekehrt ist, geschaltet wird. Das Akkusystem oder die Wechselspannungsbatterie wird mithin verwendet, um eine Wechselspannung an das Paar von Anschlusspolen anzulegen. Der erste Schaltzustand entspricht einer ersten Halbwelle der Wechselspannung, der zweite Schaltzustand entspricht einer zweiten Halbwelle der Wechselspannung. Dabei ist jeder der Anschlusspole in jedem der Schaltzustände über je nur einen Polschalter auf die Teilmenge der Akkumodule geschaltet, so dass eine Verlustleistung in dem Akkusystem minimiert wird. Man beachte, dass die Teilmenge innerhalb des ersten Schaltzustands und auch innerhalb des zweiten Schaltzustands zeitlich veränderlich sein kann, und typischerweise auch ist, insbesondere um einen gewünschten betragsmäßigen Spannungsverlauf einzurichten, oder auch um die Belastung der Akkumodule zu vergleichmäßigen.
Bei einer Variante der erfindungsgemäßen Verwendung eines Akkusystems mit ersten und zweiten Anschlussbussen und ersten bis vierten Sätzen von Polschaltern ist vorgesehen, dass in einem dritten Schaltzustand für ein Paar von Anschlusspolen die Teilmenge der Akkumodule auf den ersten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des ersten oder vierten Satzes des ersten Anschlusspols und auf einen zweiten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des zweiten oder dritten Satzes des zweiten Anschlusspols in der ersten Polung geschaltet wird, und dass in einem vierten Schaltzustand für das Paar von Anschlusspolen die Teilmenge der Akkumodule auf den ersten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des zweiten oder dritten Satzes des ersten Anschlusspols und auf den zweiten Anschlusspol des Paars mittels eines Polschalters des ersten oder vierten Satzes des zweiten Anschlusspols in der zweiten Polung geschaltet wird. Dadurch kann die Belastung der Anschlussbusse, d. h. insbesondere der auf einem Anschlussbus fließende Strom, reduziert werden. Der dritte Schaltzustand stellt einen alternativen Stromflusspfad für die erste Halbwelle der Wechselspannung, der vierte Schaltzustand für die zweite Halbwelle, bereit.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Variante ist vorgesehen, dass jeder der Anschlussbusse gleichzeitig auf maximal einen der Akkupole geschaltet ist. Dadurch wird die Belastung der Anschlussbusse weiter verringert.
Eine besonders bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, dass über die Dauer des ersten Schaltzustands die Anzahl der Akkumodule der Teilmenge sukzessive erhöht und wieder erniedrigt wird, dass über die Dauer des zweiten Schaltzustands die Anzahl der Akkumodule der Teilmenge sukzessive erhöht und wieder erniedrigt wird, und dass erster und zweiter Schaltzustand periodisch aufeinanderfolgen, insbesondere wobei ein sinusförmiger Spannungsverlauf zwischen den Anschlusspolen näherungsweise nachgebildet wird. Dadurch erfolgt eine besonders gute Anpassung an den Spannungsverlauf eines Wechselspannungsnetzes, an das das Akkusystem angeschlossen sein kann oder das von dem Akkusystem zum Versorgen eines Verbrauchers ersetzt werden kann. Vorzugsweise wird der Teilmenge in jedem der Schaltzustände wiederholt ein weiteres Akkumodul hinzugefügt bzw. eines der Akkumodule von der Teilmenge entfernt, um einen möglichst glatten Spannungsverlauf an den Anschlusspolen des Paars zu erhalten. Der erste und der zweite Schaltzustand werden vorzugsweise abwechselnd aufeinanderfolgend eingerichtet und für gleiche Teilperiodendauern aufrechterhalten.
Bei einer vorteilhaften Verwendung eines Akkusystems mit drei oder vier Anschlusspolen ist vorgesehen, dass erste und zweite Schaltzustände jeweils für wenigstens drei Paare von Anschlusspolen eingerichtet werden. Das Akkusystem kann dadurch eine dreiphasige Wechselspannung nachbilden. Insbesondere kann das Akkusystem genau drei Anschlusspole aufweisen, die in einer Dreieckschaltung betrieben werden.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem vier Anschlusspole aufweist, dass einer der Anschlusspole als ein Nullleiter eingerichtet ist, wobei der Nullleiter stets auf ungleichnamige Akkupole von wenigstens zwei verschiedenen Akkumodulen geschaltet ist, und dass die drei Paare von Anschlusspolen jeweils mit dem Nullleiter und einem der anderen Anschlusspole gebildet werden, insbesondere wobei die Anschlusspole in einer Sternschaltung betrieben werden. Mit dieser Weiterentwicklung kann die in der Praxis oft genutzte Sternschaltung auf einfache Weise eingerichtet werden. Weiterhin kann zwischen Paaren von Anschlusspolen, die nicht als der Nullleiter eingerichtet sind, eine weitere Wechselspannung, insbesondere mit größerer Amplitude, abgegriffen werden als in Bezug zu dem Nullleiter.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung einer Verwendungsvariante eines Akkusystems mit drei oder vier Anschlusspolen sieht vor, dass erster und zweiter Schaltzustand für die drei Paare von Anschlusspolen jeweils periodisch aufeinanderfolgen, und dass die ersten und zweiten Schaltzustände für die drei Paare von Anschlusspolen mit gleicher Periodizität, jedoch um 120° phasenversetzt zueinander, eingerichtet werden. Dadurch wird mit dem Akkusystem ein dreiphasiger Drehstrom nachgebildet. Insbesondere können dadurch besonders hohe Leistungen in das Akkusystem eingespeist oder aus dem Akkusystem bezogen werden.
Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem elektrische Leistung, insbesondere in Form von Wechselstrom, an ein Stromnetz und/oder an einen Verbraucher abgibt. Die elektrische Leistung kann, insbesondere an einen Verbraucher, als Gleichstrom oder als Wechselstrom abgegeben werden. Zur Abgabe von Gleichstrom werden der erste oder der zweite Schaltzustand für die Dauer der Gleichstromabgabe aufrechterhalten. Zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt dann die Umpolung in den jeweils anderen Schaltzustand, etwa zur weiteren Abgabe von elektrischer Leistung als Gleichstrom. Bevorzugt gibt das Akkusystem aber die elektrische Leistung als Wechselstrom ohne Zwischenschaltung eines Wechselrichters an den Verbraucher oder das Stromnetz, das dann als ein Wechselspannungsnetz ausgebildet ist, ab. Der erste und der zweite Schaltzustand werden dazu während der Leistungsabgabe periodisch, insbesondere alternierend, eingerichtet. Dadurch können insbesondere Wechselspannungsverbraucher auf effiziente Weise mit Strom aus dem Akkusystem versorgt werden. Weiterhin wird es ermöglicht, das Akkusystem auf einfache und effiziente Weise einspeisend zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes einzusetzen.
Eine dazu alternative Variante der erfindungsgemäßen Verwendung sieht vor, dass das Akkusystem über die Anschlusspole direkt an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, und dass elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz in das Akkusystem eingespeist wird. Dabei werden die Akkumodule des Akkusystems ohne Zwischenschaltung eines Gleichrichters aus dem Wechselspannungsnetz geladen. Der Strom fließt jeweils nur über einen der Polschalter eines der ersten (bzw. vierten) Sätze und einen der Polschalter eines der zweiten (bzw. dritten) Sätze. Dies verbessert den Wirkungsgrad beim Laden des Akkusystems erheblich. Insbesondere kann das Akkusystem auf einfache und effiziente Weise zur Stabilisierung des Wechselspannungsnetzes durch Stromentnahme aus dem Wechselspannungsnetz eingesetzt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1a einen schematischen Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkusystems mit zwei Anschlusspolen in einem ersten Schaltzustand;
1b das Akkusystem von 1a in einem zweiten Schaltzustand;
2 eine schematischen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkusystems mit drei Anschlusspolen und einem ersten und einem zweiten Anschlussbus für jeden Anschlusspol;
3 eine schematischen Schaltplan einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkusystems mit drei Anschlusspolen und ersten bis vierten Sätzen von Polschaltern für jeden Anschlusspol;
4 eine schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Wechselspannungsbatterie umfassend ein erfindungsgemäßes Akkusystem mit vier Anschlusspolen.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkusystems 10. Das Akkusystem 10 umfasst mehrere, hier acht, Akkumodule 12.1–12.8 (die Endungen .1 bis .8 indizieren auch im Folgenden die Zuordnung zu den Akkumodulen). Es sei angemerkt, dass die Zahl der Akkumodule 12.1–12.8 hier mit Rücksicht auf die Darstellung gering gewählt ist. Vorzugsweise umfasst das Akkusystem 10 wesentlich mehr, etwa 64 oder 128, Akkumodule.
Jedes der Akkumodule 12.1–12.8 weist einen erstnamigen Akkupol 14.1–14.8 (jeweils links) und einen zweitnamigen Akkupol 16.1–16.8 (jeweils rechts) auf. Die erstnamigen Akkupole 14.1–14.8 sind hier beispielhaft als Minus-Pole ausgebildet; die zweitnamigen Akkupole 16.1–16.8 entsprechend als Plus-Pole.
Die gegennamigen Akkkupole 14.1–14.8 bzw. 16.1–16.8 aufeinanderfolgend benachbarter Akkumodule 12.1–12.8 sind jeweils über einen Modulschalter 18.1–18.8 miteinander verbunden. Die Akkumodule 12.1–12.8 sind hier in einem geschlossenen Schaltring 20 angeordnet. Keiner der erstnamigen Akkupole 14.1–14.8 verbleibt ohne Verbindung zu einem benachbarten zweitnamigen Akkupol 16.1–16.8 und umgekehrt.
Das Akkusystem 10 weist zwei Anschlusspole 22a, 22b auf (die Endungen a, b und weiter unten c, d indizieren im Folgenden die Zuordnung zu den Anschlusspolen). Jeder der Anschlusspole 22a, 22b ist direkt mit einem zugehörigen ersten Anschlussbus 24a, 24b verbunden. Zwischen den Anschlusspolen 22a, 22b ist hier ein Spannungsmessgerät 26 angeordnet sein. Ferner ist hier zwischen dem Anschlusspol 22a und dem zugehörigen ersten Anschlussbus 24a ein Strommessgerät 28 angeordnet.
Für jeden der Anschlusspole 22a, 22b ist ein erster Satz 30a, 30b von Polschaltern 32a.1–32a.8 bzw. 32b.1–32b.8 vorgesehen. Die Polschalter 32a.1–32a.8 und 32b.1–32b.8 verbinden jeweils die erstnamigen Akkupole 14.1-14.8 direkt mit den ersten Anschlussbussen 24a, 24b. Mithin sind die Anschlusspole 22a bzw. 22b über die Polschalter 32a.1–32a.8 bzw. 32b.1–32b.8 ihrer ersten Sätze 30a bzw. 30b mit den erstnamigen Akkupolen 14.1–14.8 aller Akkumodule 12.1–12.8 verbunden.
Für jeden der Anschlusspole 22a, 22b ist ferner ein zweiter Satz 36a, 36b von Polschaltern 38a.1–38a.8 bzw. 38b.1–38b.8 vorgesehen. Die Polschalter 38a.1–38a.8 und 38b.1–38b.8 verbinden jeweils die zweitnamigen Akkupole 16.1–16.8 direkt mit den ersten Anschlussbussen 24a, 24b. Mithin sind die Anschlusspole 22a bzw. 22b über die Polschalter 38a.1–38a.8 bzw. 38b.1–38b.8 ihrer zweiten Sätze 36a bzw. 36b mit den zweitnamigen Akkupolen 16.1–16.8 aller Akkumodule 12.1–12.8 verbunden.
Beispielsweise am Akkumodul 12.1 ist eine Gruppe 64 von Polschaltern, hier 32a.1, 32b.1, 38a.1 und 38b.1, eingerichtet, die in gleichartiger Weise auch bei allen anderen Akkumodulen 12.1–12.8 eingerichtet ist (gilt auch für nachfolgende Ausführungsformen).
Die Modulschalter 18.1–18.8 und die Polschalter 32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 38a.1–38a.8 und 38b.1–38b.8 sind hier jeweils als Halbleiter-Schaltelemente mit sechs parallel geschalteten MOSFETs ausgebildet (nicht detailliert dargestellt). Die parallel geschalteten MOSFETs eines jeden Modulschalters 18.1–18.8 bzw. Polschalters 32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 38a.1–38a.8 und 38b.1–38b.8 sind jeweils gemeinsam öffen- und schließbar, um einen einheitlichen Schalter zu bilden.
Das Akkusystem 10 befindet sich hier in einem ersten Schaltzustand. Eine Teilmenge 42, die hier durch die Akkumodule 12.1–12.6 gebildet wird, wobei die Akkumodule 12.1–12.6 durch Schließen der Modulschalter 18.1–18.5 in Reihe geschaltet sind, ist hier in einer ersten Polung auf das Paar 44 von Anschlusspolen 22a, 22b geschaltet. Der erstnamige Akkupol 14.1 des Akkumoduls 12.1 ist dabei durch Schließen des Polschalters 32a.1 über lediglich diesen Schalter innenwiderstandsarm auf den ersten Anschlusspol 22a geschaltet. Eine Verbindung zwischen dem ersten Anschlusspol 22a und dem Polschalter 32a.1 dessen ersten Satzes 30a wird dabei durch den ersten Anschlussbus 24a des ersten Anschlusspols 22a vermittelt. Der zweitnamige Akkupol 16.6 des Akkumoduls 12.6 ist durch Schließen des Polschalters 38b.6 über lediglich diesen Schalter innenwiderstandsarm auf den zweiten Anschlusspol 22b geschaltet. Eine Verbindung zwischen dem zweiten Anschlusspol 22b und dem Polschalter 38b.6 dessen zweiten Satzes 36b wird dabei durch den ersten Anschlussbus 24b des zweiten Anschlusspols 22b vermittelt. In der ersten Polung liegt der erste Anschlusspol 22a auf Minus, der zweite Anschlusspol 22b auf Plus.
In der 1b ist das Akkusystem 10 von 1a in einem zweiten Schaltzustand dargestellt. Die Teilmenge 42 der durch Schließen der Modulschalter 18.1–18.5 in Reihe geschalteten Akkumodule 12.1–12.6 ist in einer zweiten Polung, die zur ersten Polung umgekehrt ist, auf das Paar 44 von Akkupolen 22a, 22b geschaltet. Der erstnamige Akkupol 14.1 des Akkumoduls 12.1 ist dazu auf den zweiten Anschlusspol 22b geschaltet, indem der geschlossene Polschalter 32b.1 dessen ersten Satzes 30b eine leitende Verbindung zwischen dem Akkupol 14.1 und dem ersten Anschlussbus 24b des zweiten Anschlusspols 22b herstellt. Der zweitnamige Akkupol 16.6 des Akkumoduls 12.6 ist entsprechend auf den ersten Anschlusspol 22a geschaltet, indem der geschlossene Polschalter 38a.6 dessen zweiten Satzes 36a eine leitende Verbindung zwischen dem Akkupol 16.6 und dem ersten Anschlussbus 24a des ersten Anschlusspols 22a herstellt. Diese leitenden Verbindungen erfolgen wiederum innenwiderstandsarm nur über jeweils einen Schalter. In der zweiten Polung liegt der erste Anschlusspol 22a auf Plus, der zweite Anschlusspol 22b auf Minus.
Man beachte, dass durch die Umpolung auf den (ersten) Anschlussbussen 24a, 24b bereits eine Wechselspannung eingerichtet wird, und ein Wechselstrom auf jedem der Anschlussbusse 24a, 24b fließen kann (Wechselstrombusse).
Ergänzend sei angemerkt, dass innerhalb des ersten und des zweiten Schaltzustands die Anzahl der in der Teilmenge 42 in Reihe geschalteten Akkumodule variiert werden kann (nicht dargestellt). Beispielsweise könnte in dem zweiten Schaltzustand gemäß 1b auch der Modulschalter 18.6 geschlossen werden. Es würde dann der zweitnamige Akkupol 16.7 über den Polschalter 38a.7 auf den ersten Anschlusspol 22a geschaltet und gleichzeitig der Polschalter 38a.6 geöffnet. Durch entsprechende Anwendung dieser Vorgehensweise kann beispielsweise ein sinusförmiger Spannungsverlauf nachgebildet werden, indem die Anzahl der Akkumodule in der Teilmenge 42 sukzessive erhöht und verringert wird.
Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkusystems 10. Das Akkusystem 10 weist acht Akkumodule 12.1–12.8 auf, die über Modulschalter 18.1–18.8 zu einem geschlossenen Schaltring 20 verbunden sind.
Das Akkusystem 10 umfasst hier drei Anschlusspole 22a, 22b und 22c. Für jeden der Anschlusspole 22a–c ist je ein erster Anschlussbus 24a–c vorgesehen und direkt mit dem zugehörigen Anschlusspol 22a–c verbunden. Die ersten Anschlussbusse 24a–c sind jeweils über erste Sätze 30a–c von Polschaltern 32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8 bzw. 32c.1–32c.8 mit allen erstnamigen, hier negativen, Akkupolen 14.1–14.8 der Akkumodule 12.1–12.8 verbunden.
Für jeden der Anschlusspole 22a–c ist ferner je ein zweiter Anschlussbus 46a–c vorgesehen und direkt mit dem zugehörigen Anschlusspol 22a–c verbunden. Die zweiten Anschlussbusse 24a–c sind jeweils über zweite Sätze 36a–c von Polschaltern 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8 bzw. 38c.1–38c.8 mit allen zweitnamigen, hier positiven, Akkupolen 16.1–16.8 der Akkumodule 12.1–12.8 verbunden.
Für ein erstes Paar 44.1 von Anschlusspolen, das von den Anschlusspolen 22b und 22a gebildet wird, ist ein erster Schaltzustand eingerichtet. Eine Teilmenge 42.1 der Akkumodule, die auf das Paar 44.1 geschaltet ist, wird hier durch das einzelne Akkumodul 12.1 gebildet. Der erstnamige Akkupol 14.1 des Akkumoduls 12.1 ist auf den ersten Anschlusspol 22b des Paars 44.1 über den geschlossenen Polschalter 32b.1 des ersten Satzes 30b des Anschlusspols 22b geschaltet. Der zweitnamige Akkupol 16.1 des Akkumoduls 12.1 ist auf den zweiten Anschlusspol 22a des Paars 44.1 über den geschlossenen Polschalter 38a.1 des zweiten Satzes 36a des Anschlusspols 22a geschaltet. Der erste Anschlusspol 22b des Paars 44.1 weist gegenüber dem zweiten Anschlusspol 22a des Paars 44.1 in dem ersten Schaltzustand ein negatives Potential auf.
Auch für ein zweites Paar 44.2, das von den Anschlusspolen 22c und 22b gebildet wird, ist ein erster Schaltzustand eingerichtet. Eine Teilmenge 42.2, die auf das Paar 44.2 geschaltet ist, wird hier durch das einzelne Akkumodul 12.2 gebildet. Der erstnamige Akkupol 14.2 des Akkumoduls 12.2 ist auf den ersten Anschlusspol 22c des Paars 44.2 über den geschlossenen Polschalter 32c.2 des ersten Satzes 30c des Anschlusspols 22c geschaltet. Der zweitnamige Akkupol 16.2 des Akkumoduls 12.2 ist auf den zweiten Anschlusspol 22b des Paars 44.2 über den geschlossenen Polschalter 38b.2 des zweiten Satzes 36b des Anschlusspols 22b geschaltet. Der erste Anschlusspol 22c des Paars 44.2 weist gegenüber dem zweiten Anschlusspol 22b des Paars 44.2 in dem ersten Schaltzustand ein negatives Potential auf.
Für ein drittes Paar 44.3, das von den Anschlusspolen 22a und 22c gebildet wird, ist ein zweiter Schaltzustand eingerichtet. Eine Teilmenge 42.3, die auf das Paar 44.3 geschaltet ist, wird hier durch die Akkumodule 12.4 und 12.5, die über den Modulschalter 18.4 in Reihe geschaltet sind, gebildet. Der erstnamige Akkupol 14.4 des Akkumoduls 12.4 ist auf den zweiten Anschlusspol 22c des Paars 44.3 über den geschlossenen Polschalter 32c.4 des ersten Satzes 30c des Anschlusspols 22c geschaltet. Der zweitnamige Akkupol 16.5 des Akkumoduls 12.5 ist auf den ersten Anschlusspol 22a des Paars 44.3 über den geschlossenen Polschalter 38a.5 des zweiten Satzes 36a des Anschlusspols 22a geschaltet. Der erste Anschlusspol 22a des Paars 44.3 weist gegenüber dem zweiten Anschlusspol 22c des Paars 44.3 in dem zweiten Schaltzustand ein positives Potential auf.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Akkusystem 10 in einer dritten Ausführungsform. Das Akkusystem 10 umfasst acht Akkumodule 12.1–12.8. Das Akkusystem weist weiterhin drei Anschlusspole 22a–c auf. Für jeden der Anschlusspole 22a–c ist jeweils ein erster Anschlussbus 24a–c und jeweils ein zweiter Anschlussbus 46a–c vorgesehen. Der erste Anschlussbus 24a–c ist jeweils über Polschalter 32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8 und 32c.1–32c.8 eines ersten Satzes 30a–c mit erstnamigen Akkupolen 14.1-14.8 und über Polschalter 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8 und 48c.1–48c.8 eines dritten Satzes 50a–c mit zweitnamigen Akkupolen 16.1–16.8 verbunden. Der zweite Anschlussbus 46a–c ist jeweils über Polschalter 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8 und 52c.1–52c.8 eines vierten Satzes 54a–c mit erstnamigen Akkupolen 14.1-14.8 und über Polschalter 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8 und 38c.1–38c.8 eines zweiten Satzes 36a–c mit zweitnamigen Akkupolen 16.1–16.8 verbunden.
Das Akkumodul 12.1 ist in einem dritten Schaltzustand über den Polschalter 32b.1 des ersten Satzes 30b des Anschlusspols 22b auf dessen ersten Anschlussbus 24b und über den Polschalter 48a.1 des dritten Satzes 50a des Anschlusspols 22a auf dessen ersten Anschlussbus 24a geschaltet.
Das Akkumodul 12.2 ist in einem dritten Schaltzustand über den Polschalter 52c.2 des vierten Satzes 54c des Anschlusspols 22c auf dessen zweiten Anschlussbus 46c und über den Polschalter 38b.2 des zweiten Satzes 36b des Anschlusspols 22b auf dessen zweiten Anschlussbus 46b geschaltet.
Die Akkumodule 12.3 und 12.4 sind über einen Modulschalter 18.3 in Reihe geschaltet und in einem zweiten Schaltzustand über den Polschalter 38a.4 des zweiten Satzes 36a des Anschlusspols 22a auf dessen zweiten Anschlussbus 46a und über den Polschalter 32c.3 des ersten Satzes 30c des Anschlusspols 22c auf dessen ersten Anschlussbus 24c geschaltet.
Mithin ist in dem Gesamtschaltzustand gemäß 3 auf jeden der Anschlussbusse 24a–c und 46a–c jeweils nur genau einer der Akkupole 14.1–14.8 und 16.1–16.8 geschaltet. An den Anschlusspolen 22a–c des Akkusystems 10 kann insbesondere eine Dreieckschaltung betrieben werden.
Das Akkumodul 12.1 kann in einem vierten Schaltzustand (nicht dargestellt) in einer zum dritten Schaltzustand umgekehrten Polung über den Polschalter 48b.1 des dritten Satzes 50b des Anschlusspols 22b auf dessen ersten Anschlussbus 24b und über den Polschalter 32a.1 des ersten Satzes 30a des Anschlusspols 22a auf dessen ersten Anschlussbus 24a geschaltet werden.
Das Akkumodul 12.2 kann in einem vierten Schaltzustand (nicht dargestellt) in einer zum dritten Schaltzustand umgekehrten Polung über den Polschalter 38c.2 des zweiten Satzes 36c des Anschlusspols 22c auf dessen zweiten Anschlussbus 46c und über den Polschalter 52b.2 des vierten Satzes 54b des Anschlusspols 22b auf dessen zweiten Anschlussbus 46b geschaltet werden.
Die über den Modulschalter 18.3 in Reihe geschalteten Akkumodule 12.3 und 12.4 können in einem dritten Schaltzustand (nicht dargestellt) über den Polschalter 52a.3 des vierten Satzes 54a des Anschlusspols 22a auf dessen zweiten Anschlussbus 46a und über den Polschalter 48c.4 des dritten Satzes 50c des Anschlusspols 22c auf dessen ersten Anschlussbus 24c geschaltet werden.
In der 4 ist eine erfindungsgemäße Wechselspannungsbatterie 56 mit einem erfindungsgemäßen Akkusystem 10 in einer vierten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Wechselspannungsbatterie 56 weist ein Gehäuse 58 auf, in dem das Akkusystem 10 angeordnet ist. In dem Gehäuse 58 ist weiterhin eine Steuereinheit 60 vorgesehen. Das Akkusystem 10 weist hier vier Anschlusspole 22a–d auf. Die Anschlusspole 22a–d sind für eine Steckverbindung 62, hier in einer Steckdose an dem Gehäuse 58, ausgebildet.
Für jeden der Anschlusspole 22a–d ist je ein erster Anschlussbus 24a–d ausgebildet, der jeweils über erste Sätze 30a–d von Polschaltern 32a.1–32d.8 mit erstnamigen Akkupolen 14.1–14.8 aller Akkumodule 12.1–12.8 und über zweite Sätze 36a–d von Polschaltern 38a.1–38d.8 mit zweitnamigen Akkupolen 16.1–16.8 aller Akkumodule 12.1–12.8 verbunden ist. Die Polschalter 32a.1–32d.8 und 38a.1–38d.8 können von der Steuereinheit 60 in nicht näher dargestellter Weise geöffnet und geschlossen werden, ebenso die Modulschalter 18.1–18.8.
Der Anschlusspol 22d ist hier als ein Nullleiter eingerichtet. Im dargestellten Schaltzustand ist der Anschlusspol 22d gleichzeitig über den Polschalter 32d.1 auf den erstnamigen Akkupol 14.1 sowie über die Polschalter 38d.3 und 38d.4 auf die zweitnamigen Akkupole 16.3 und 16.4 geschaltet. Der Anschlusspol 22c ist über den Polschalter 38c.2 auf den zweitnamigen Akkupol 16.2 des Akkumoduls 12.2 geschaltet, das über einen Modulschalter 18.1 mit dem Akkumodul 12.1 in Reihe geschaltet ist. Die Anschlusspole 22a und 22b sind über die Polschalter 32a.4 bzw. 32b.3 auf die erstnamigen Akkupole 14.4 bzw. 14.3 geschaltet. Mithin kann an der Wechselspannungsbatterie 56 eine Sternschaltung betrieben werden.
Bezugszeichenliste

10: Akkusystem
12.1–12.8: Akkumodule
14.1–14.8: erstnamige Akkupole
16.1–16.8: zweitnamige Akkupole
18.1–18.8: Modulschalter
20: Schaltring
22a, 22b, 22c, 22d: Anschlusspole
24a–d: erster Anschlussbus
26: Spannungsmessgerät
28: Strommessgerät
30a-d: erster Satz von
32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8: Polschaltern
36a–d: zweiter Satz von
38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8: Polschaltern
42; 42.1, 42.2, 42.3: Teilmenge
44; 44.1, 44.2, 44.3: Paar von Anschlusspolen
46a–c: zweiter Anschlussbus
48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8 und 48c.1–48c.8: Polschalter eines
50a–c: dritten Satzes
52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8 und 52c.1–52c.8: Polschalter eines
54a–c: vierten Satzes
56: Wechselspannungsbatterie
58: Gehäuse
60: Steuereinheit
62: Steckverbindung
64: Gruppe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8536734 B1 [0003]

Claims

Akkusystem (10) für eine Wechselspannungsbatterie (56) umfassend: – mehrere Akkumodule (12.1–12.8), die jeweils zwei Akkupole (14.1–14.8, 16.1–16.8) aufweisen, – mehrere Modulschalter (18.1–18.8), über die gegengleiche Akkupole (14.1–14.8, 16.1–16.8) aufeinanderfolgend benachbarter Akkumodule (12.1–12.8) miteinander verbunden sind, – wenigstens zwei Anschlusspole (22a–d), – für jeden Anschlusspol (22a–d) jeweils wenigstens einen Satz (30a–d, 36a–d, 50a–c, 54a–c) von Polschaltern (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8), wobei der Satz (30a–d, 36a–d, 50a–c, 54a–c) für jedes Akkumodul (12.1–12.8) einen Polschalter (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter (321.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) des Satzes (30a–d, 36a–d, 50a–c, 54a–c) einen Akkupol (14.1–14.8, 16.1–16.8) eines zugehörigen Akkumoduls (12.1–12.8) mit dem zugehörigen Anschlusspol (22a–d) verbindet, und wobei die über die Polschalter (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) des Satzes (30a–d, 36a–d, 50a–c, 54a–c) mit dem zugehörigen Anschlusspol (22a–d) verbundenen Akkupole (14.1–14.8, 16.1–16.8) gleichnamig sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) für jeden Anschlusspol (22a–d) einen ersten Satz (30a–d) von Polschaltern (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8) aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8) des ersten Satzes (30a–d) einen erstnamigen Akkupol (14.1–14.8) eines zugehörigen Akkumoduls (12.1–12.8) mit dem zugehörigen Anschlusspol (22a–d) verbindet, und dass das Akkusystem (10) für jeden Anschlusspol (22a–d) einen zweiten Satz (36a–d) von Polschaltern (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8) aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8) des zweiten Satzes (36a–d) einen zweitnamigen Akkupol (16.1–16.8) eines zugehörigen Akkumoduls (12.1–12.8) mit dem zugehörigen Anschlusspol (22a–d) verbindet.
Akkusystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) für jeden Anschlusspol (22a–d) einen ersten Anschlussbus (24a–d) aufweist, der direkt mit dem jeweiligen Anschlusspol (22a–d) verbunden ist, und dass der erste Anschlussbus (24a–d) über den ersten Satz (30a–d) von Polschaltern (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8) des jeweiligen Anschlusspols (22a–d) direkt mit den erstnamigen Akkupolen (14.1–14.8) eines jeden Akkumoduls (12.1–12.8) verbunden ist.
Akkusystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussbus (24a–d) eines jeden Anschlusspols (22a–d) weiterhin über den zweiten Satz (36a–d) von Polschaltern (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8) des jeweiligen Anschlusspols (22a–d) mit den zweitnamigen Akkupolen (16.1–16.8) eines jeden Akkumoduls (12.1–12.8) direkt verbunden ist.
Akkusystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) für jeden Anschlusspol (22a–d) einen zweiten Anschlussbus (46a–c) aufweist, der direkt mit dem jeweiligen Anschlusspol (22a–d) verbunden ist, und dass der zweite Anschlussbus (46a–c) über den zweiten Satz (36a–d) von Polschaltern (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8) des jeweiligen Anschlusspols (22a–d) mit den zweitnamigen Akkupolen (16.1–16.8) eines jeden Akkumoduls (12.1–12.8) direkt verbunden ist.
Akkusystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) für jeden Anschlusspol (22a–d) einen dritten Satz (50a–c) von Polschaltern (48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8) aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter (48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8) des dritten Satzes (50a–c) einen zweitnamigen Akkupol (16.1–16.8) eines zugehörigen Akkumoduls (12.1–12.8) mit dem ersten Anschlussbus (24a–d) direkt verbindet, und dass das Akkusystem (10) für jeden Anschlusspol (22a–d) einen vierten Satz (54a–c) von Polschaltern (52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) aufweist, wobei ein jeweiliger Polschalter (52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) des vierten Satzes (54a–c) einen erstnamigen Akkupol (14.1–14.8) eines zugehörigen Akkumoduls (12.1–12.8) mit dem zweiten Anschlussbus (46a–c) direkt verbindet.
Akkusystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) drei Anschlusspole (22a–d) aufweist.
Akkusystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) vier Anschlusspole (22a–d) aufweist.
Akkusystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumodule (12.1–12.8) über die Modulschalter (18.1–18.8) zu einem geschlossenen Schaltring (20) verbunden sind.
Akkusystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschalter (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) und die Modulschalter (18.1–18.8) jeweils mindestens ein Halbleiter-Schaltelement umfassen, bevorzugt jeweils wenigstens vier, besonders bevorzugt jeweils wenigstens acht, parallel zueinander geschaltete Halbleiter-Schaltelemente umfassen, insbesondere wobei die parallel geschalteten Halbleiter-Schaltelemente jeweils gemeinsam öffenbar und schließbar sind.
Wechselspannungsbatterie (56) umfassend ein Akkusystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere wobei die Anschlusspole (22a–d) für eine Steckverbindung (62) ausgebildet sind.
Verwendung eines Akkusystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einer Wechselspannungsbatterie (56) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schaltzustand für ein Paar (44; 44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) eine Teilmenge (42; 42.1, 42.2, 42.3) der Akkumodule (12.1–12.8), die durch ein oder mehrere mittels der Modulschalter (18.1–18.8) in Reihe geschalte Akkumodule (12.1–12.8) gebildet wird, auf einen ersten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8) des ersten Satzes (30a–d) des ersten Anschlusspols (22a–d) und auf einen zweiten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8) des zweiten Satzes (36a–d) des zweiten Anschlusspols (22a–d) in einer ersten Polung geschaltet wird, und dass in einem zweiten Schaltzustand für das Paar (44; 44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) die Teilmenge (42; 42.1, 42.2, 42.3) der Akkumodule (12.1–12.8) auf den ersten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8) des zweiten Satzes (36a–d) des ersten Anschlusspols (22a–d) und auf den zweiten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8) des ersten Satzes (30a–d) des zweiten Anschlusspols (22a–d) in einer zweiten Polung, die zur ersten Polung umgekehrt ist, geschaltet wird.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) nach Anspruch 5 ausgebildet ist, dass in einem dritten Schaltzustand für ein Paar (44; 44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) die Teilmenge (42; 42.1, 42.2, 42.3) der Akkumodule (12.1–12.8) auf den ersten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) des ersten (30a–d) oder vierten (54a–c) Satzes des ersten Anschlusspols (22a–d) und auf einen zweiten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8) des zweiten (36a–d) oder dritten (50a–c) Satzes des zweiten Anschlusspols (22a–d) in der ersten Polung geschaltet wird, und dass in einem vierten Schaltzustand für das Paar (44; 44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) die Teilmenge (42; 42.1, 42.2, 42.3) der Akkumodule (12.1–12.8) auf den ersten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (38a.1–38a.8, 38b.1–38b.8, 38c.1–38c.8, 38d.1–38d.8, 48a.1–48a.8, 48b.1–48b.8, 48c.1–48c.8) des zweiten (36a–d) oder dritten (50a–c) Satzes des ersten Anschlusspols (22a–d) und auf den zweiten Anschlusspol (22a–d) des Paars (44; 44.1, 44.2, 44.3) mittels eines Polschalters (32a.1–32a.8, 32b.1–32b.8, 32c.1–32c.8, 32d.1–32d.8, 52a.1–52a.8, 52b.1–52b.8, 52c.1–52c.8) des ersten (30a–d) oder vierten (54a–c) Satzes des zweiten Anschlusspols (22a–d) in der zweiten Polung geschaltet wird.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Anschlussbusse (24a–d, 46a–c) gleichzeitig auf maximal einen der Akkupole (14.1–14.8, 16.2–16.8) geschaltet ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die Dauer des ersten Schaltzustands die Anzahl der Akkumodule (12.1–12.8) der Teilmenge (42; 42.1, 42.2, 42.3) sukzessive erhöht und wieder erniedrigt wird, dass über die Dauer des zweiten Schaltzustands die Anzahl der Akkumodule (12.1–12.8) der Teilmenge (42; 42.1, 42.2, 42.3) sukzessive erhöht und wieder erniedrigt wird, und dass erster und zweiter Schaltzustand periodisch aufeinanderfolgen, insbesondere wobei ein sinusförmiger Spannungsverlauf zwischen den Anschlusspolen (22a–d) näherungsweise nachgebildet wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) nach Anspruch 6 oder 7 ausgebildet ist, und dass erste und zweite Schaltzustände jeweils für wenigstens drei Paare (44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) eingerichtet werden.
Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) nach Anspruch 7 ausgebildet ist, dass einer der Anschlusspole (22d) als ein Nullleiter eingerichtet ist, wobei der Nullleiter stets auf ungleichnamige Akkupole (14.1–14.8, 16.1–16.8) von wenigstens zwei verschiedenen Akkumodulen (12.1-12.8) geschaltet ist, und dass die drei Paare (44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) jeweils mit dem Nullleiter und einem der anderen Anschlusspole (22a–c) gebildet werden, insbesondere wobei die Anschlusspole (22a–d) in einer Sternschaltung betrieben werden.
Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Schaltzustand für die drei Paare (44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) jeweils periodisch aufeinanderfolgen, und dass die ersten und zweiten Schaltzustände für die drei Paare (44.1, 44.2, 44.3) von Anschlusspolen (22a–d) mit gleicher Periodizität, jedoch um 120° phasenversetzt zueinander, eingerichtet werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) elektrische Leistung, insbesondere in Form von Wechselstrom, an ein Stromnetz und/oder an einen Verbraucher abgibt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkusystem (10) über die Anschlusspole (22a–d) direkt an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, und dass elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz in das Akkusystem (10) eingespeist wird.