DE102017222423A1

DE102017222423A1 - Formationsanlage und Formationsverfahren mit lokaler Rekuperation

Info

Publication number: DE102017222423A1
Application number: DE102017222423.1A
Authority: DE
Inventors: Eric Pertermann
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2018-11-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formationsanlage und ein Formationsvorgang zum Formieren von Batteriezellen. Eine Versorgungsleitung (VH) versorgt ein versorgungsseitiges Modul eines Spannungswandlers (S.1) mit einer Versorgungsspannung. Der Spannungswandler (S.1) wandelt die Versorgungsspannung in einer Ladespannung um. Zwei ladeseitige Module (MN.1.1, ...) dieses Spannungswandlers (S.1) versorgen zwei Ladeeinheiten (L.1, L.2, ...) mit Ladespannung. Jede Ladeeinheit (L.1, L.2, ...) lädt mindestens eine Batteriezelle elektrisch auf. Mindestens einmal wird ein lokales Rekuperieren (Rl.4_3, Rl.2_1) durchgeführt. Hierbei fließt Strom von einer ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) über ein erstes ladeseitige Modul (MN.1.2, MN.1.4, ...) und ein zweites ladeseitige Modul (MN.1.1, MN.1.3, ...) desselben Spannungswandlers (S.1) zu einer zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...). Die mit der ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) verbundenen Batteriezellen laden die mit der zweite Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) verbundenen Batteriezellen auf. Beim lokalen Rekuperieren (Rl.4_3, Rl.2_1) wird der Strom nicht von der Ladespannung in die Versorgungsspannung und zurück transformiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Formationsanlage und ein Formationsverfahren zum Formieren von Batteriezellen, bei denen Rekuperation durchgeführt wird. Beim Formieren werden die Batteriezellen nacheinander mehrmals aufgeladen und wieder entladen. Unter „Rekuperation“ wird der Vorgang verstanden, dass der Strom, der beim Entladen einer Batteriezelle erzeugt wird, zum Aufladen mindestens einer anderen Batteriezelle in derselben Formationsanlage verwendet wird.
In DE 102011112635 A1 wird ein Verfahren beschrieben, um Batterien herzustellen und anschließend auf Funktionsfähigkeit zu prüfen. Hierbei wird jede Batterie mindestens einmal geladen und mindestens einmal wieder entladen. Das Entladen einer ersten Batterie 12 und das Aufladen einer zweiten Batterie 16 werden derart koordiniert, dass die der ersten Batterie 12 entnommene elektrische Energie wenigstens teilweise der zweiten Batterie 16 zugeführt wird. Beim beschriebenen Verfahren wird also eine Rekuperation durchgeführt. Einer Mehrzahl von Prüfsträngen 28, 30, 32, 34 wird nacheinander jeweils eine elektrische Batterie zugeführt, vergleiche 2 und 3. Beschrieben wird eine zeitliche Koordinierung der Vorgänge des Zuführens, Ladens und Entladens, bei der Zeit eingespart wird.
EP 23307121 A1 beschreibt ein Verfahren, wie eine Batterie mit Hilfe eines Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers und eines Spannungswandlers aufgeladen und entladen wird.
In EP 2880981 A2 wird ein Verfahren beschrieben, um Energie in einem Netz zu verteilen. In einer Ausgestaltung sind mehrere lokale Energienetze über jeweils einen Anschluss 5 mit einem übergeordneten Energienetz 6 verbunden. Eine übergeordnete Steuerung 8 minimiert die Energiebilanz aller Zugriffe, die im übergeordneten Energienetz 6 über die Anschlüsse 5 stattfinden. Auch die Verteilung innerhalb eines lokalen Energienetzes wird gesteuert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Formationsanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Formationsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 bereitzustellen, bei dem ein Rekuperieren mit einem geringeren Leistungsverlust als bei bekannten Formationsanlagen und Formationsverfahren möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Formationsanlage mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Formationsverfahren mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Formationsanlage umfasst

• mindestens zwei Ladeeinheiten,
• mindestens einen Spannungswandler und
• eine Versorgungsleitung.

Der oder jeder Spannungswandler umfasst

• jeweils ein versorgungsseitiges Modul und
• jeweils mindestens ein ladeseitiges Modul.

Mindestens ein Spannungswandler umfasst mindestens zwei ladeseitige Module.
Das lösungsgemäße Formationsverfahren wird unter Verwendung einer solchen Formationsanlage durchgeführt.
Jede Ladeeinheit vermag jeweils mindestens eine Batteriezelle elektrisch zu kontaktieren und aufzuladen. Die oder jede mit der Ladeeinheit elektrisch verbundene Batteriezelle wird mindestens einmal aufgeladen und wieder entladen und durch das Aufladen und Entladen formiert. Jede Ladeeinheit ist mit mindestens einem ladeseitigen Modul elektrisch verbunden. Das oder jedes versorgungsseitige Modul ist mit der Versorgungsleitung elektrisch verbunden.
Die Versorgungsleitung stellt Strom mit einer Versorgungsspannung bereit. Durch das oder jedes versorgungsseitige Modul fließt Strom mit der Versorgungsspannung. Jedes ladeseitige Modul stellt für die oder jede mit diesem ladeseitigen Modul verbundene Ladeeinheit Strom mit einer Ladespannung bereit, die von der Versorgungsspannung abweichen kann. Durch jedes ladeseitige Modul fließt Strom mit der oder einer Ladespannung. Der oder jeder Spannungswandler vermag Strom mit der Versorgungsspannung in Strom mit der oder einer Ladespannung zu transformieren. Hierbei regt das versorgungsseitige Modul des Spannungswandlers das oder jedes ladeseitige Modul dieses Spannungswandlers elektrisch an.
Die Formationsanlage lässt sich in mindestens einen Rekuperations-Zustand versetzen. Wenn die Formationsanlage in dem oder einem Rekuperations-Zustand ist, so kann Strom von einer ersten Ladeeinheit zu einer zweiten Ladeeinheit derselben Formationsanlage fließen. Dadurch wird mindestens eine Batteriezelle, die von der zweiten Ladeeinheit kontaktiert ist, vollständig oder wenigstens teilweise mit Strom von mindestens einer Batteriezelle, die von der ersten Ladeeinheit kontaktiert ist, aufgeladen.
Die Formationsanlage lässt sich in mindestens einen Rekuperations-Zustand versetzen. In dem oder mindestens einem Rekuperations-Zustand fließt der Strom direkt von der ersten Ladeeinheit zu der zweiten Ladeeinheit. Diese beiden Ladeeinheiten sind mit zwei verschiedenen ladeseitigen Modulen verbunden, die zu demselben Spannungswandler gehören. Der Strom fließt von der ersten Ladeeinheit über das verbundene erste ladeseitige Modul direkt zu dem verbundenen zweiten ladeseitigen Modul und von dort zu der zweiten Ladeeinheit. Das Merkmal, dass der Strom „direkt“ fließt, bedeutet, dass bei diesem Rekuperieren der Stromfluss das versorgungsseitige Modul dieses Spannungswandlers umgeht.
Weil die Formationsanlage mindestens einen Spannungswandler umfasst, kann die oder eine Ladespannung, mit der die Batteriezellen formiert werden, von der Versorgungsspannung, mit der die Formationsanlage versorgt wird, abweichen. Die oder jede Ladespannung lässt sich so festlegen, dass die Batteriezellen mit dieser Ladespannung betriebssicher und / oder rasch aufgeladen und wieder entladen werden.
Möglich ist, dass dieselben Ladeeinheiten derselben Formationsanlage nacheinander zwei Sätze von Batteriezellen mit unterschiedlichen Ladespannungen aufladen, nämlich den ersten Satz mit einer ersten Ladespannung und den zweiten Satz mit einer zweiten Ladespannung. Hierfür braucht in der Regel lediglich der oder jeder Spannungswandler angepasst zu werden. Die Versorgungsspannung lässt sich beispielsweise so festlegen, dass Strom über eine größere Entfernung zur Formationsanlage transportiert werden kann.
In herkömmlichen Formationsanlagen fließt der Strom beim Rekuperieren von einem Spannungswandler zu einem anderen Spannungswandler. Dieser Strom wird daher zunächst von der oder einer Ladespannung in die Versorgungsspannung transformiert und später von der Versorgungsspannung wieder zurück in die oder eine Ladespannung. Daher muss beim Rekuperieren zweimal Strom transformiert werden. Hierbei treten zwangsläufig elektrische Leistungsverluste auf. Falls die Batteriezellen wie üblich mit Gleichspannung aufgeladen werden, so erfordert dieses Transformieren, Gleichstrom in Wechselstrom zu transformieren und später Wechselstrom wieder in Gleichstrom. Hierbei treten zwangsläufig weitere Leistungsverluste auf.
Die Erfindung reduziert den Leistungsverlust beim lösungsgemäßen Rekuperieren. Die Erfindung erspart die Notwendigkeit, beim Rekuperieren Strom von der Ladespannung in die Versorgungsspannung und wieder zurück von der Versorgungsspannung in die Ladespannung zu transferieren. Der Strom bleibt beim lösungsgemäßen Rekuperieren vielmehr in derselben Ladespannung. Dies wird erreicht, indem beim Rekuperieren der Strom von einem ladeseitigen Modul direkt zu einem anderen ladeseitigen Modul desselben Spannungswandlers fließt. Dieses Rekuperieren lässt sich als „lokales Rekuperieren“, nämlich Rekuperieren innerhalb eines Spannungswandlers, bezeichnen.
Üblicherweise werden die Batteriezellen mit Gleichspannung in der oder einer Ladespannung aufgeladen. Jedes ladeseitige Modul liefert daher Gleichspannung mit der oder einer Ladespannung. Die Versorgungsspannung kann Gleichspannung oder Wechselspannung sein. Um Gleichstrom von einer Spannung in eine andere Spannung zu transformieren, muss der Gleichstrom bekanntlich in Wechselstrom umgewandelt werden, der Wechselstrom in eine andere Spannung transformiert werden und der transformierte Wechselstrom wieder in Gleichstrom umgewandelt werden. In dem lösungsgemäßen Rekuperations-Zustand, in dem Strom direkt von der ersten Ladeeinheit zu der zweiten Ladeeinheit fließt, ist auch dann keine Umwandlung in Wechselstrom erforderlich, wenn wie üblich die Batteriezellen mit Gleichstrom aufgeladen werden. Daher ist beim Rekuperieren mit dem direkten Stromfluss keine Umwandlung in Wechselstrom erforderlich. Auch dann, wenn die Batteriezellen mit Wechselstrom aufgeladen werden, ist keine Transformation zwischen unterschiedlichen Spannungen erforderlich.
Beim Formieren treten elektrische Leistungsverluste auf, die in Wärme umgesetzt werden. Dank der Erfindung treten beim Rekuperieren geringere Leistungsverluste auf. Dadurch erwärmt sich die Formationsanlage weniger als bei bekannten Ansätzen. Daher ist ein geringerer Aufwand erforderlich, um die entstehende Wärme abzuführen und um die Formationsanlage zu kühlen. Der Verbrauch an elektrische Energie sinkt. Oder es wird ermöglicht, die Formationsanlage mit einem geringeren Platzverbrauch zu realisieren, weil weniger Platz für Elemente zur Kühlung benötigt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Spannungswandler mit den mehreren ladeseitigen Modulen nur ein versorgungsseitiges Modul. Beim Transformieren der Versorgungsspannung in die Ladespannung regt dieses eine versorgungsseitige Modul jedes ladeseitige Modul dieses Spannungswandlers elektrisch an. Diese Ausgestaltung reduziert die Anzahl der versorgungsseitigen Module, die erforderlich sind. Möglich ist auch, dass dieser Spannungswandler mehrere versorgungsseitige Module und mehrere ladeseitige Module aufweist.
In einer Ausgestaltung verwendet die lösungsgemäße Formationsanlage eine einzige Ladespannung für alle Ladeeinheiten. Jeder Spannungswandler vermag also die Versorgungsspannung in dieselbe Ladespannung zu transformieren. In einer anderen Ausgestaltung umfasst die Formationsanlage mindestens zwei Spannungswandler. Der erste Spannungswandler vermag die Versorgungsspannung in eine erste Ladespannung zu transformieren, der zweite Spannungswandler die Versorgungsspannung in eine zweite Ladespannung, die von der ersten Ladespannung differiert. Entsprechend verwendet die Formationsanlage mindestens zwei verschiedene Ladespannungen. Mindestens eine Ladeeinheit wird mit der ersten Ladespannung versorgt, mindestens eine weitere Ladeeinheit mit der zweiten Spannung. Die Formationsanlage vermag gleichzeitig einen ersten Satz von Batteriezellen mit der ersten Ladespannung und einen zweiten Satz von Batteriezellen mit der zweiten Ladespannung aufzuladen.
In einer Ausführungsform ist jedes ladeseitige Modul nur mit einer Ladeeinheit elektrisch verbunden, also nicht mit zwei verschiedenen Ladeeinheiten. Möglich ist aber auch, dass eine Ladeeinheit mit mindestens zwei verschiedenen, bevorzugt parallel geschalteten, ladeseitigen Modulen verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung mit parallel geschalteten ladeseitigen Modulen lässt sich die Formationsanlage an den aktuellen Leistungsbedarf beim Formieren der Batteriezellen anpassen. Möglich ist, dass ein erster Satz von Batteriezellen mit mehreren parallel geschalteten ladeseitigen Modulen pro Ladeeinheit aufgeladen wird und gleichzeitig oder zu einem anderen Zeitpunkt einen zweiter Satz mit Batteriezellen mit einem ladeseitigen Modul pro Ladeeinheit. Möglich ist, die Formationsanlage wahlweise in einer von mindestens zwei verschiedenen Konfigurationen zu betreiben, wobei in einer Konfiguration jede Ladeeinheit mit einem anderen ladeseitigen Modul verbunden ist und in einer anderen Konfiguration mindestens eine Ladeeinheit mit mindestens zwei verschiedenen ladeseitigen Modulen verbunden ist.
In einer Ausgestaltung umfasst jedes ladeseitige Modul einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang. Jede Ladeeinheit umfasst einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang. Die beiden Ausgänge eines ladeseitigen Moduls werden mit den beiden Eingängen einer Ladeeinheit elektrisch verbunden, und zwar jeweils ein Ausgang mit einem Eingang. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt hergestellt, so dass die Ladeeinheit die oder jede elektrisch kontaktierte Batteriezelle zu formatieren vermag. In einer Ausgestaltung lassen sich die beiden ersten Ausgänge von zwei ladeseitigen Modul eines Spannungswandlers wahlweise mit demselben ersten Eingang oder mit den beiden ersten Eingängen von zwei verschiedenen Ladeeinheiten verbinden. Entsprechend lassen sich die beiden zweiten Ausgänge von diesen beiden ladeseitigen Modulen wahlweise mit demselben zweiten Eingang oder mit zwei verschiedenen zweiten Eingängen verbinden. Dadurch lässt sich die Formationsanlage leicht an unterschiedliche Leistungsanforderungen der zu formierenden Batteriezellen anpassen, ohne große bauliche Änderungen an der Formationsanlage vornehmen zu müssen. In der Regel brauchen lediglich elektrische Verbindungen geändert zu werden.
In einer Ausführungsform ist die Versorgungsspannung größer als die oder jede Ladespannung. In einer Implementierung des Spannungswandlers mit den mehreren ladeseitigen Modulen umfasst das versorgungsseitige Modul dieses Spannungswandlers mehrere Schaltelemente einer ersten Art. Jedes ladeseitige Modul umfasst Schaltelemente einer zweiten Art. Bei dieser Ausgestaltung braucht nur jedes Schaltelement der ersten Art für die höhere Versorgungsspannung ausgelegt sein, während jedes Schaltelement der zweiten Art nur für die oder eine niedrigere Ladespannung ausgelegt zu sein braucht. Oft lassen sich als Schaltelemente der zweiten Art solche Schaltelemente verwenden, die einen höheren Wirkungsgrad und / oder weniger Leistungsverlust und / oder kürzere Schaltzeiten haben und / oder billiger und / oder zuverlässiger sind als die Schaltelemente der ersten Art, sich aber nicht für die höhere Versorgungsspannung verwenden lassen.
Möglich ist auch, dass die Versorgungsspannung kleiner als die oder jede Ladespannung ist. In diesem Falle werden vorzugsweise die Schaltelemente der zweiten Art (für die ladeseitigen Module verwendet) für die höhere Ladespannung ausgelegt und die Schaltelemente der ersten Art (für die versorgungsseitigen Module) für die niedrigere Versorgungsspannung.
In einer Implementierung werden als Schaltelemente der ersten Art, die im Falle einer höheren Versorgungsspannung in dem oder jedem versorgungsseitigen Modul eingebaut sind, IGBT-Transistoren verwendet. Diese Schaltelemente arbeiten auch bei höheren Versorgungsspannungen korrekt. Die ladeseitigen Module umfassen hingegen Schaltelemente, die als MOSFET-Transistoren implementiert sind. Ein MOSFET-Transistor hat einen geringeren elektrischen Widerstandswert als ein IGBT-Transistor und daher weniger Leistungsverluste und weniger Verlustwärme. Außerdem schaltet ein MOSFET-Transistor oft schneller als ein IGBT-Transistor, hat also kürzere Schaltzeiten. Gerade beim lösungsgemäßen lokalen Rekuperieren sind oft rasche Schaltvorgänge in den ladeseitigen Modulen erforderlich, während jedes versorgungsseitige Modul umgangen wird. Die Ausgestaltung mit MOSFET-Transistoren für die ladeseitigen Module steigert den Wirkungsgrad und reduziert die Energieverluste weiter - verglichen mit einer Implementierung auch der Schaltelemente in den ladeseitigen Modulen als IGBT-Transistoren. Möglich ist auch, als Schaltelemente Thyristoren zu verwenden.
Lösungsgemäß wird ein lokales Rekuperieren durchgeführt, bei dem Strom direkt von einer ersten Ladeeinheit zu einer zweiten Ladeeinheit fließt, wobei diese beiden Ladeeinheiten mit zwei ladeseitigen Modulen desselben Spannungswandlers elektrisch verbunden sind. Manchmal reicht ein solches lokales Rekuperieren nicht aus, um die oder jede Batteriezelle der zweiten Ladeeinheit vollständig aufzuladen. Insbesondere in diesem Fall wird zusätzlich ein zentrales Rekuperieren durchgeführt, und zwar vorzugsweise zeitlich überlappend mit dem lokalen Rekuperieren. Auch beim zentralen Rekuperieren fließt Strom von einer ersten Ladeeinheit zu einer zweiten Ladeeinheit. Diese beiden Ladeeinheiten sind ebenfalls mit zwei ladeseitigen Modulen verbunden. Diese beiden ladeseitigen Module gehören aber beim zentralen Rekuperieren zu zwei verschiedenen Spannungswandlern. Im Gegensatz zum lokalen Rekuperieren fließt beim zentralen Rekuperieren der Strom daher zusätzlich durch zwei verschiedene versorgungsseitige Module dieser beiden verschiedenen Spannungswandler. Möglich ist, dass zeitweise dieselbe Ladeeinheit (genauer: die Batteriezellen in derselben Ladeeinheit) sowohl von einer anderen Ladeeinheit (mit demselben Spannungswandler verbunden) durch lokales Rekuperieren als auch von einer weiteren Ladeeinheit (mit einem anderen Spannungswandler verbunden) durch zentrales Rekuperieren aufgeladen wird.
Nachfolgend werden die erfindungsgemäße Formationsanlage und das erfindungsgemäße Formationsverfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

1 zeigt einen einzelnen bidirektionalen Spannungswandler;
2 zeigt eine Schaltung für eine Formierungsanlage mit drei Ladekammern und zentrales Rekuperieren auf der Hochspannungsseite;
3 zeigt eine Schaltung für eine Ladekammer mit vier parallel geschalteten Modulen auf der Niederspannungsseite;
4 zeigt eine Variation der Schaltung von 3 mit Unterverteilung, um vier Ladekammern mit niedrigerer Leistung versorgen zu können;
5 zeigt eine Schaltung für eine Formierungsanlage mit acht Ladekammern und zwei bidirektionalen Spannungswandlern, wobei die Schaltung von 4 enthalten ist und wobei sowohl lokales also zentrales Rekuperieren durchgeführt wird.

Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung in einer Formationsanlage eingesetzt. In dieser Formationsanlage werden mehrere wiederaufladbare Batteriezellen gleichzeitig formiert. Unter „Formierung“ sowie unter „Formation“ wird der Vorgang verstanden, die Batteriezellen gemäß einem vorgegebenen gewünschten zeitlichen Verlauf der Ladespannung wiederholt nacheinander aufzuladen und wieder zu entladen. Vorzugsweise wird jede Batteriezelle, während der oder nachdem sie mehrmals aufgeladen und wieder entladen ist, geprüft. Beispielsweise werden die Spannung und / oder die Temperatur an den Polen (Terminals) der Batteriezellen gemessen und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. Durch das Formieren und anschließendem Prüfen werden Batteriezellen, die fehlerhaft gefertigt worden sind, entdeckt. Fehlerhafte Batteriezellen werden aussortiert.
Die Formationsanlage umfasst eine Vielzahl von parallel geschalteten Ladekammern, die als Ladeeinheiten fungieren. Jede Ladekammer umfasst eine Vielzahl von parallel geschalteten Ladekarten. Jede Ladekarte lässt sich elektrisch mit den beiden Terminals (Polen) jeweils einer aufzuladenden Batteriezelle verbinden. Im Ausführungsbeispiel werden alle Batteriezellen in einer Ladekammer gleichzeitig aufgeladen und gleichzeitig wieder entladen. Der zeitliche Verlauf der Spannung an einer Ladekarte einer Ladekammer stimmt mit dem zeitlichen Spannungsverlauf an jeder anderen Ladekarte dieser Ladekammer überein. Der zeitliche Verlauf der Spannung in einer Ladekammer differiert in der Regel vom zeitlichen Verlauf der Spannung in einer anderen Ladekammer, ist beispielsweise zeitlich versetzt, um das Rekuperieren zwischen verschiedenen Ladekammern zu ermöglichen. Ein geforderter zeitlicher Verlauf des Aufladens und Entladens und insbesondere der zeitliche Verlauf der Spannung in jeder Ladekammer sind vorgegeben. Der tatsächliche Spannungsverlauf wird überwacht, und durch eine geeignete automatische Regelung wird die Abweichung zwischen dem geforderten Spannungsverlauf und dem tatsächlichen Spannungsverlauf einer Ladekammer so gering wie möglich gehalten.
Im Ausführungsbeispiel wird die Formationsanlage mit Gleichstrom (DC) einer höheren Spannung versorgt, im Ausführungsbeispiel mit 1000 V Gleichstrom als der Versorgungsspannung. Jede Ladekammer wird mit Gleichstrom derselben niedrigeren Spannung versorgt, im Ausführungsbeispiel mit 48 V Gleichstrom als der Ladespannung. Die zu formierenden Batteriezellen werden mit dieser Ladespannung aufgeladen. Im Folgenden wird mit dem Begriff „Hochspannung“ die Versorgungsspannung von 1000 V Gleichstrom bezeichnet, mit dem Begriff „Niederspannung“ die Ladespannung von 48 V Gleichstrom. Selbstverständlich sind andere Versorgungsspannungen und Ladespannungen möglich. Die Formationsanlage lässt sich auch mit Wechselstrom versorgen.
Die Formationsanlage des Ausführungsbeispiels besitzt mehrere Spannungswandler, die Gleichstrom der Hochspannung in Gleichstrom der Niederspannung umwandeln. In allen Figuren werden links die Hochspannungsseite und rechts die Niederspannungsseite der Spannungswandler gezeigt. Die Module auf der Hochspannungsseite fungieren als die versorgungsseitigen Module, die Module auf der Niederspannungsseite als die ladeseitigen Module.
1 zeigt beispielhaft einen bidirektionalen Spannungswandler in Form einer „dual active bridge“. Der Begriff „bidirektional“ bedeutet, dass der Strom nicht nur von der Hochspannungsseite (Versorgungsseite) zur Niederspannungsseite (Ladeseite) fließen kann, sondern auch umgekehrt. Dies ist für ein Rekuperieren zwischen Ladekammern, die mit verschiedenen Spannungswandlern verbunden sind, erforderlich. Der Spannungswandler von 1 besitzt ein Modul MH.1 mit vier Schaltelementen T1, ..., T4 auf der Hochspannungsseite und ein Modul MN.1 mit vier weiteren Schaltelementen T5, ..., T8 auf der Niederspannungsseite. Vorzugsweise werden Transistoren als Schaltelemente verwendet, möglich sind auch Thyristoren oder andere geeignete Schaltelement. Das Modul auf der Hochspannungsseite fungiert als ein versorgungsseitiges Modul, das oder jedes Modul auf der Niederspannungsseite als ein ladeseitiges Modul des Spannungswandlers.
Ein Steuergerät (nicht gezeigt) der Formationsanlage vermag automatisch jedes Schaltelement T1, T2, ... unabhängig von jedem anderen Schaltelement anzusteuern und dadurch das Schaltelement wahlweise in einen Durchlass-Zustand oder in einen Sperr-Zustand zu versetzen. Im Durchschalt-Zustand leitet das Schaltelement T1, T2, ... Strom in diejenige Richtung durch, die durch den jeweiligen Pfeil angedeutet ist. Im Sperr-Zustand sperrt es die jeweilige Leitung in beiden Richtungen. Das Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite setzt Gleichstrom in der Hochspannung in Wechselstrom in der Hochspannung um. Das Modul MN.1 auf der Niederspannungsseite setzt Wechselstrom im Niederspannungsbereich in Gleichstrom im Niederspannungsbereich um, wirkt also als ein Gleichrichter. Diese Spannungswandlung wird realisiert, indem die Schaltelemente entsprechend angesteuert und geschaltet werden.
Das Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite regt über eine Anordnung mit zwei Spulen (in 1 mit n bzw. 1 bezeichnet) das Modul MN.1 auf der Niederspannungsseite an. Mit T1, T2, ... werden die Schaltelemente bezeichnet, die unabhängig voneinander in einen Durchschalt-Zustand oder in einen Sperr-Zustand geschaltet werden können. Mit C_DC1 wird ein Kondensator auf der Hochspannungsseite bezeichnet, mit C_DC2 ein Kondensator auf der Niederspannungsseite. Außerdem zeigt 1 eine Vielzahl von Dioden, die nicht geschaltet werden können und dauerhaft Strom in die Pfeilrichtung durchlassen und die jeweilige Leitung in die entgegengesetzte Richtung sperren.
2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus einer Schaltung, welche gleichzeitig mehrere Ladekammern der Formationsanlage mit Strom versorgt. Beispielhaft wird ein Ausschnitt aus der Schaltung mit drei Ladekammern L.1, L.2, L.3 und drei bidirektionalen Spannungswandlern S.1, S.2, S.3 gezeigt. Jeder Spannungswandler von 2 ist so wie in 1 gezeigt aufgebaut, besitzt also ein Modul MH.1, ... auf der Hochspannungsseite (in 2 links gezeigt) und ein Modul MN.1, ... auf der Niederspannungsseite (in 2 rechts gezeigt). Jedes Modul MH.1, ... auf der Hochspannungsseite ist elektrisch mit derselben Versorgungsleitung VH für Hochspannung verbunden, jedes Modul MN.1, ... auf der Niederspannungsseite mit jeweils einer zu versorgenden Ladekammer L.1, ....
Wie bereits dargelegt, werden alle Batteriezellen einer Ladekammer L.1, ... gleichzeitig aufgeladen und anschließend gleichzeitig entladen. Beim Entladen liefern die Batteriezellen in einer Ladekammer L.1, ... elektrischen Strom. Im Ausführungsbeispiel wird mit dem Begriff „Rekuperieren“ der Vorgang bezeichnet, den Strom, den die Batteriezellen einer Ladekammer bereitzustellen, dafür zu verwenden, die Batteriezellen in einer anderen Ladekammer derselben Formationsanlage aufzuladen. Während also die Batteriezellen in einer Ladekammer entladen werden, wird der bereitgestellte Strom dafür verwendet, die Batteriezellen in einer anderen Ladekammer aufzuladen. Im Beispiel von 2 werden gerade die Batteriezellen in der Ladekammer L.3 entladen. Mit dem Strom, den die Batteriezellen in der Ladekammer L.3 beim Entladen bereitstellen, werden die Batteriezellen in der Ladekammer L.2 aufgeladen. 2 deutet diesen Vorgang durch den Pfeil R.3_2 an. Der zum Rekuperieren verwendete Strom fließt durch die jeweilige Niederspannungsseite und die Hochspannungsseite der beiden Spannungswandler S.3 und S.2 und durch die Versorgungsleitung VH, die die beiden Spannungswandler S.3 und S.2 miteinander verbindet. Hierbei regt das Modul MN.3 auf der Niederspannungsseite über die Transformatorschaltung das Modul MH.3 auf der Hochspannungsseite an, und das Modul MH.2 auf der Hochspannungsseite regt das Modul MN.2 auf der Niederspannungsseite an. Die Schaltelemente T1, ... werden im Ausführungsbeispiel nicht nur zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom und Wechselstrom in Gleichstrom, sondern auch zum Aufladen von Batteriezellen mittels Rekuperieren verwendet. Natürlich können die Batteriezellen in der Ladekammer L.2 zusätzlich durch Strom aus der Versorgungsleitung VH aufgeladen werden.
Im Beispiel von 2 werden als Schaltelemente ausschließlich IGBT-Transistoren verwendet. Um die elektrischen Verluste zu verringern und den Wirkungsgrad zu steigern, werden in den Beispielen der folgenden Figuren statt dessen Spannungswandler mit MOSFET-Transistoren auf der Niederspannungsseite verwendet. Auf der Hochspannungsseite werden weiterhin IGBT-Transistoren verwendet, weil nur diese für die im Ausführungsbeispiel verwendete Hochspannung ausgelegt sind.
In einer Ausführungsform wird eine relativ hohe elektrische Leistung auf der Niederspannungsseite verlangt, beispielsweise mehr als 10 kW. 3 zeigt beispielhaft eine Schaltung, um eine einzige Ladekammer L.1 mit einem relativ hohen Leistungsbedarf elektrisch zu versorgen. Das Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite hat vier Schaltelemente in Form von IGBT-Transistoren T1, ..., T4. Der bidirektionale Spannungswandler S.1 von 3 hat auf der Niederspannungsseite als Schaltelemente MOSFET-Transistoren, so dass deren oben bereits genannten Vorteile im Vergleich zu IGBT-Transistoren genutzt werden.
Jedes ladeseitige Modul hat jeweils einen ersten Ausgang (in 3 oben) und einen zweiten Ausgang (in 3 unten). Die Ladekammer L.1 hat einen ersten Eingang (oben) und einen zweiten Eingang (unten), zwischen denen eine Ladespannung U2 erzeugt werden soll. Ein einziges ladeseitiges Modul auf der Niederspannungsseite (in 3 rechts) mit MOSFET-Transistoren vermag die Ladespannung nicht mit ausreichender Leistung bereit zu stellen, um die Batteriezellen in der Ladekammer L.1 mit Strom zu versorgen. Um die geforderte hohe elektrische Leistung bereitstellen zu können, sind die vier ersten Ausgänge parallel geschaltet und alle mit dem demselben ersten Eingang der Ladekammer L.1 verbunden. Die vier zweiten Ausgänge sind ebenfalls parallel geschaltet und mit demselben zweiten Eingang verbunden. Dadurch sind die vier Module MN.1.1, ..., MN.1.4 mit jeweils vier MOSFET-Transistoren T5, T6, ... parallel geschaltet. Dieser Spannungswandler S.1 besitzt also ein versorgungsseitiges Modul MH.1 und vier ladeseitige Module MN.1.1, ..., MN.1.4. Alle vier Module MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite werden von demselben Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite (in 3 rechts) elektrisch angeregt.
Im Ausführungsbeispiel lässt sich die Formationsanlage vor einem Formationsvorgang konfigurieren, um Ladekammern mit dem aktuell erforderlichen Leistungsbedarf versorgen zu können. Dieser Leistungsbedarf kann von Formationsvorgang zu Formationsvorgang variieren. Die Konfiguration der Formationsanlage erfordert als einzigen Schritt, erste Ausgänge und zweite Ausgänge der Module auf der Niederspannungsseite miteinander zu verbinden (vgl. 3) oder voneinander zu trennen (vgl. 4). Die Verbindung oder Trennung lässt sich beispielsweise mit Hilfe von Kupferschienen durchführen. Abgesehen von dieser Verbindung oder Trennung braucht die Formationsanlage nicht verändert zu werden und kann trotzdem nacheinander Formationsvorgänge mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen durchführen. Die Vorteile von MOSFET-Transistoren, insbesondere weniger Verlustleistung, weniger Verlustwärme und kürzere Schaltzeiten, lassen sich auf der Niederspannungsseite in jeder Anwendung nutzen.
Im Beispiel von 3 stellen die vier parallel geschalteten Module MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite mit den MOSFET-Transistoren zwar die benötigte elektrische Energie mit ausreichender Leistung bereit. Beim Rekuperieren fließt Strom durch mindestens ein Modul MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite und durch das Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite dieses Spannungswandlers und durch die entsprechenden Module eines anderen Spannungswandler für eine andere Ladekammer. Die Schaltung von 3 ermöglicht somit nur ein zentrales Rekuperieren. Bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und zurück von Wechselstrom in Gleichstrom treten zwangsläufig elektrische Leistungsverluste und somit Verlustwärme auf. Das nachfolgend mit Bezug auf 4 und 5 beschriebene lokale Rekuperieren vermeidet diese Nachteile.
4 zeigt eine alternative Schaltung, bei der derselbe bidirektionale Spannungswandler S.1 gleichzeitig vier Ladekammern L.1, ..., L.4 mit Spannung versorgt. Im Gegensatz zu 3 sind in der Schaltung von 4 die vier ersten und die vier zweiten Ausgänge der vier Module MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite nicht miteinander verbunden. Vielmehr ist jedes Modul MN.1.1, ..., MN.1.4 mit jeweils einer zu versorgenden Ladekammer L.1, ..., L.4 verbunden, und zwar jeweils der erste Ausgang mit dem ersten Eingang und der zweite Ausgang mit dem zweiten Eingang. Die vier Module MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite sind also nicht parallel geschaltet. Die Schaltung von 4 vermag die vier Ladekammern L.1, ..., L.4 gleichzeitig mit Strom zu versorgen. Dies ist im Ausführungsbeispiel dann möglich, wenn der Leistungsbedarf der Ladekammern L.1, ..., L.4 geringer ist als der in 3, beispielsweise weniger als 10 KW. Die einzige Änderung, um die Formationsanlage von der Konfiguration von 3 in die Konfiguration von 4 zu überführen, ist die, die ersten und zweiten Ausgänge der ladeseitigen Module MN.1.1, ..., MN.1.4 voneinander zu trennen und mit den vier Ladekammern L.1, ..., L.4 zu verbinden. Weitere Änderungen sind nicht erforderlich.
Zwischen diesen vier Ladekammern L.1, ..., L.4, die von demselben Spannungswandler S.1 versorgt werden, ist ein lokales Rekuperieren gemäß der Erfindung möglich. Dieses lokale Rekuperieren wird beispielhaft in 5 gezeigt. 5 zeigt beispielhaft eine Schaltung mit zwei bidirektionalen Spannungswandlern S.1 und S.2, die beide so wie in 4 gezeigt aufgebaut sind und gleichzeitig insgesamt acht Ladekammern L.1, ..., L.8 versorgen. Der erste Spannungswandler S.1 stimmt auch hinsichtlich der Bezugszeichen mit dem in 4 gezeigten Spannungswandler S.1 überein und hat ein Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite und vier Module MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite, welche die vier Ladekammern L.1, ..., L.4 versorgen. Der zweite Spannungswandler S.2 ist genauso aufgebaut, besitzt auf der Hochspannungsseite das Modul MH.2 und auf der Niederspannungsseite die vier Module MN.2.1, ..., MN.2.4 und versorgt die vier weiteren Ladekammern L.5, ..., L.8.
Die Schaltung von 5 ermöglicht ein Rekuperieren auf zwei verschiedenen Ebenen, nämlich ein lokales Rekuperieren auf einer unteren Ebene und ein zentrales Rekuperieren auf einer oberen Ebene. Beim Rekuperieren auf der unteren Ebene (lokales Rekuperieren) sind die Ladekammer, die den Strom liefert, und die Ladekammer, die den Strom empfängt, mit zwei ladeseitigen Modulen desselben Spannungswandlers verbunden. Beim Rekuperieren auf der oberen Ebene (zentrales Rekuperieren) sind die Ladekammer, die den Strom liefert, und die Ladekammer, die den Strom empfängt, mit zwei ladeseitigen Modulen verschiedener Spannungswandler verbunden. Bei einem lokalen Rekuperieren fließt der Strom lediglich durch zwei Module auf der Niederspannungsseite desselben Spannungswandlers. Weil beim lokalen Rekuperieren der Strom durch weniger Module fließt und nicht in Wechselspannung und wieder zurück in Gleichspannung transformiert wird, sondern Gleichstrom derselben Ladespannung bleibt, sind beim lokalen Rekuperieren die elektrischen Leistungsverluste geringer als beim zentralen Rekuperieren. Weniger Verlustwärme wird erzeugt und muss abgeführt werden.
Der Pfeil R1.4_3 im 5 zeigt ein erstes lokales Rekuperieren, bei dem die Batterien in der Ladekammer L.4 entladen werden und mit dem Strom aus der Ladekammer L.4 die Batterien in der Ladekammer L.3 aufgeladen werden. Der Strom fließt vom ladeseitigen Modul MN.1.4 zum ladeseitigen Modul MN.1.3. Der Pfeil Rl.2_1 zeigt ein zweites lokales Rekuperieren, bei dem die Batterien in der Ladekammer L.2 entladen werden und mit dem Strom aus der Ladekammer L.2 die Batterien in der Ladekammer L.1 aufgeladen werden. Der Pfeil Rz.1_2 zeigt ein zentrales Rekuperieren, bei dem Strom von dem Modul MH.1 des Spannungswandlers S.1 zum Modul MH.2 des Spannungswandlers S.2 fließt und dabei von Gleichstrom in Wechselstrom und zurück in Gleichstrom transformiert wird.
Sowohl das lokale Rekuperieren als auch das zentrale Rekuperieren werden durchgeführt, indem einige Schaltelemente der Spannungswandler S.1 und S.2 geöffnet und andere geschlossen werden oder bleiben. Das lokale Rekuperieren, das in 5 mit dem Pfeil R1.4_3 angedeutet ist, wird beispielhaft und mit Bezug auf 4 erläutert, also anhand des Falles, dass die Batterien in der Ladekammer L.4 entladen werden und durch lokales Rekuperieren die Batterien in der Ladekammer L.3 mit Strom aus der Ladekammer L.4 aufgeladen werden. Beide Ladekammern L.4 und L.3 sind mit demselben Spannungswandler S.1 verbunden, vgl. 5. Dieses lokale Rekuperieren wird in 5 durch den Pfeil R1.4_3 angedeutet. Wie in 4 zu sehen ist, ist der jeweilige zweite (unten dargestellte) Ausgang des Moduls MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite auf Masse (0) gelegt, und am jeweiligen ersten (oben dargestellten) Ausgang tritt Gleichspannung (+) auf. Beim Entladen der Batteriezellen in der Ladekammer L.4 tritt die Spannung U2,4 von 48 V Gleichstrom zwischen den beiden Ausgängen auf. Der untere Pol (0) von U2,4 ist mit Masse verbunden. Zunächst sind alle Transistoren T13 bis T20 in 4 geschlossen, und ein Rekuperieren wird unterbunden. Das nicht gezeigte Steuergerät übermittelt nunmehr einen entsprechenden Stellbefehl, und der Transistor T17 wird geöffnet. Dadurch liegt elektrisches Potenzial an der Diode rechts neben dem Schaltelement T13 an. Die beiden ersten Ausgänge (+) der ladeseitigen Module MN.1.4 und MN.1.3 sind dadurch miteinander verbunden, die beiden zweiten Ausgänge (0) aber noch nicht. Nunmehr wird auch das Schaltelement T16 geöffnet. Dadurch werden auch die mit Masse verbundenen zweiten Ausgänge (0) miteinander verbunden. Danach fließt Strom von der Ladekammer L.4 zur Ladekammer L.3, und lokales Rekuperieren wird durchgeführt. Der Spannung und / oder die Amplitude dieses Stroms können variiert werden, indem zusätzlich das Schaltelement T13 und / oder das Schaltelement T14 kurz geöffnet und dann wieder geschlossen wird.
Bezugszeichenliste

C_DC1: Kondensator auf der Hochspannungsseite
C_DC2: Kondensator auf der Niederspannungsseite
MN.1.1,: Module auf der Niederspannungsseite des Spannungswandlers S.1, sind mit den
...,: Ladekammern L.1, ..., L.4 verbunden, fungieren als ladeseitige Module, umfassen
MN.1.4: MOSFET-Transistoren T5, ..., T20 als Schaltelemente
MN.2.1,: Module auf der Niederspannungsseite des Spannungswandlers S.2, sind mit den
...,: Ladekammern L.5, ..., L.8 verbunden, fungieren als ladeseitige Module, umfassen
MN.2.4: MOSFET-Transistoren als Schaltelemente
MH.1: Modul auf der Hochspannungsseite des Spannungswandlers S.1, ist mit der Hochspannungs-Versorgungsleitung VH verbunden, fungiert als ein versorgungsseitiges Modul, umfasst IGBT-Transistoren T1, ..., T4 als Schaltelemente
MH.2: Modul auf der Hochspannungsseite des Spannungswandlers S.2, ist mit der Hochspannungs-Versorgungsleitung VH verbunden, fungiert als ein versorgungsseitiges Modul, umfasst weitere IGBT-Transistoren als Schaltelemente
Rl.2_1: lokales Rekuperieren, bei dem die Batteriezellen in der Ladekammer L.2 entladen werden und dadurch die Batteriezellen in der Ladekammer L.1 aufgeladen werden und bei dem der Strom durch die beiden ladeseitigen Module MN.1.2 und MH.1.1 auf der Niederspannungsseite fließt
R1.4_3: lokales Rekuperieren, bei dem die Batteriezellen in der Ladekammer L.4 entladen werden und dadurch die Batteriezellen in der Ladekammer L.3 aufgeladen werden
Rz.1_2: und bei denen der Strom durch die beiden ladeseitigen Module MN.1.4 und MH.1.3 auf der Niederspannungsseite fließt zentrales Rekuperieren, bei dem Batteriezellen in mindestens einer der Ladekammern L.1, ..., L.4 entladen werden und dadurch die Batteriezellen in mindestens einer der Ladekammern L.5, ..., L.8 aufgeladen werden und bei dem der Strom zusätzlich zweimal transformiert wird und durch beide Module MH.1, MH.2 auf der Hochspannungsseite fließt
S.1: bidirektionaler Spannungswandler, umfasst das Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite und die vier Module MN.1.1, ..., MN.1.4 auf der Niederspannungsseite, versorgt die Ladekammern L.1 bis L.4
S.2: bidirektionaler Spannungswandler, umfasst das Modul MH.2 auf der Hochspannungsseite und die vier Module MN.2.1, ..., MN.2.4 auf der Niederspannungsseite, versorgt die Ladekammern L.5 bis L.8
T1, ...,T4: Schaltelemente für das Modul MH.1 auf der Hochspannungsseite, als IGBT-Transistoren implementiert
T5, ...: Schaltelemente für die Module MN.1.1, ... auf der Niederspannungsseite, im Ausführungsbeispiel als MOSFET-Transistoren implementiert
VH: Hochspannungs-Versorgungsleitung (1000 V), versorgt die Module MH.1, MH.2 auf der Hochspannungsseite der Spannungswandler S.1, S.2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011112635 A1 [0002]
EP 23307121 A1 [0003]
EP 2880981 A2 [0004]

Claims

Formationsanlage zum Formieren von Batteriezellen, wobei die Formationsanlage • mindestens zwei Ladeeinheiten (L.1, L.2, ...), • mindestens einen Spannungswandler (S.1, S.2) und • eine Versorgungsleitung (VH) umfasst, wobei der oder jeder Spannungswandler (S.1, S.2) jeweils • ein versorgungsseitiges Modul (MH.1, ...) und • mindestens ein ladeseitiges Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) aufweist, wobei jede Ladeeinheit (L.1, L.2, ...) • jeweils mindestens eine Batteriezelle elektrisch zu kontaktieren und aufzuladen vermag und • elektrisch mit mindestens einem ladeseitigen Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) verbunden ist, wobei das oder jedes ladeseitige Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) der oder jeder verbundenen Ladeeinheit (L.1, L.2, ...) Strom mit einer Ladespannung bereitzustellen vermag, wobei das oder jedes versorgungsseitige Modul (MH.1, ...) mit der Versorgungsleitung (VH) elektrisch verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung (VH) Strom mit einer Versorgungsspannung bereitzustellen vermag, wobei der oder jeder Spannungswandler (S.1, S.2) Strom mit der Versorgungsspannung in Strom mit der oder eine Ladespannung zu transformieren vermag, wobei die Formationsanlage in mindestens einen Rekuperations-Zustand (Rz.1_2, Rl.4_3, Rl.2_1) versetzbar ist, • in welchem Strom von einer ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) zu einer zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...) fließen kann und • dadurch die oder eine Batteriezelle, die von der zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...) kontaktiert ist, mit Strom von der oder einer Batteriezelle, die von der ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) kontaktiert ist, aufgeladen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spannungswandler (S.1) mindestens zwei ladeseitige Module (MN.1.1, ...) umfasst, wobei in dem oder mindestens einem Rekuperations-Zustand (Rl.4_3, Rl.2_1), in den die Formationsanlage versetzbar ist, • Strom von einer ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...), die mit einem ersten ladeseitigen Modul (MN.1.2, MN.1.4, ...) dieses Spannungswandlers (S.1) verbunden ist, • direkt zu einer zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...), die mit einem zweiten ladeseitigen Modul (MN.1.1, MN.1.3, ...) desselben Spannungswandlers (S.1) verbunden ist, fließen kann.
Formationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes ladeseitige Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) dieses Spannungswandlers (S.1) jeweils mindestens zwei ansteuerbare Schaltelemente (T5, ...) aufweist, wobei jedes Schaltelement (T5, ...) unabhängig von jedem anderen Schaltelement dieses ladeseitigen Moduls (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) wahlweise in einen Durchlass-Zustand oder einen Sperr-Zustand schaltbar ist und wobei in dem Rekuperations-Zustand, in dem Strom von der ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) direkt zu der zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...) fließen kann, • jeweils ein Schaltelemente (T17, T16) beider ladeseitigen Module in den Durchlass-Zustand geschaltet ist und • jedes weitere Schaltelement (T5, ...) dieser beiden ladeseitigen Module in den Sperr-Zustand geschaltet ist.
Formationsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes versorgungsseitige Modul (MH.1, ...) ebenfalls jeweils mindestens zwei ansteuerbare Schaltelemente (T1, ..., T4) aufweist, wobei jedes ansteuerbare Schaltelement (T1, ..., T4) eines versorgungsseitigen Moduls (MH.1, ...) von einer ersten Art ist, wobei jedes ansteuerbare Schaltelement (T5, ...) eines ladeseitigen Moduls (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) von einer zweiten Art ist, wobei dann, wenn die Versorgungsspannung größer ist als die oder jede Ladespannung ist, die Schaltelemente (T1, ..., T4) der ersten Art für eine größere Spannung ausgelegt sind als die Schaltelemente (T5, ...) der zweiten Art und wobei dann, wenn die Versorgungsspannung kleiner ist als die oder jede Ladespannung ist, die Schaltelemente (T1, ..., T4) der zweiten Art für eine größere Spannung ausgelegt sind als die Schaltelemente (T5, ...) der ersten Art.
Formationsanlage nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens dann, wenn die Versorgungsspannung größer ist als die oder jede Ladespannung ist, jedes ansteuerbare Schaltelement (T5, ...) eines ladeseitigen Moduls (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) als MOSFET-Transistor ausgeführt ist.
Formationsanlage nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens dann, wenn die Versorgungsspannung größer ist als die oder jede Ladespannung ist, jedes ansteuerbare Schaltelement (T1, ..., T4) eines versorgungsseitigen Moduls (MH.1, ...) als IGBT-Transistor ausgeführt ist.
Formationsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes ladeseitige Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) Gleichstrom mit der oder einer Ladespannung zu liefern vermag.
Formationsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes versorgungseitige Modul (MH.1, ...) Gleichspannung in Wechselspannung umzusetzen vermag und das oder jedes ladeseitige Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) Wechselspannung in Gleichspannung umzusetzen vermag.
Formationsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe versorgungsseitige Modul (MH.1, ...) des Spannungswandlers (S.1) mit den mindestens zwei ladeseitigen Module (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) dazu ausgestaltet ist, die beiden oder mindestens zwei ladeseitige Module (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) dieses Spannungswandlers (S.1) elektrisch anzuregen.
Formationsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formationsanlage in einen weiteren Rekuperations-Zustand versetzbar ist, in welchem Strom von einer ersten Ladeeinheit (L.2, L.4), die mit einem ersten ladeseitigen Modul (MN.1.2, MN.1.4) eines ersten Spannungswandlers (S.1) verbunden ist, zu einer zweiten Ladeeinheit (L.6, L.8), die mit einem zweiten ladeseitigen Modul (MN.2.2, MN.2.4) eines zweiten Spannungswandlers (S.2) verbunden ist, fließen kann.
Formationsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei ladeseitige Module (MN.1.1, ...) desselben Spannungswandlers (S.1) wahlweise parallel schaltbar oder voneinander trennbar sind, wobei die beiden parallelgeschalteten ladeseitige Module (MN.1.1, ...) dazu ausgestaltet sind, dieselbe Ladeeinheit (L.1, ...) mit Ladespannung zu versorgen und wobei die beiden voneinander getrennten ladeseitigen Module (MN.1.1, ...) dazu ausgestaltet sind, zwei verschiedene Ladeeinheiten (L.1, ...) mit Ladespannung zu versorgen.
Formationsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ladeseitigen Module (MN.1.1, ...) jeweils zwei erste Ausgänge (+) und zwei zweite Ausgänge (-) umfassen und die beiden Ladeeinheiten (L.1, ...) jeweils zwei erste Eingänge und zwei zweite Eingänge umfassen, wobei die beiden ersten Ausgänge (+) wahlweise mit demselben ersten Eingang oder mit zwei verschiedenen ersten Eingängen verbindbar sind und wobei die beiden zweiten Ausgänge (-) wahlweise mit demselben zweiten Eingang oder mit zwei verschiedenen zweiten Eingängen verbindbar sind.
Verfahren zum Formieren von Batteriezellen, unter Verwendung einer Formationsanlage mit • mindestens zwei Ladeeinheiten (L.1, L.2, ...), • mindestens einen Spannungswandler (S.1, S.2) und • einer Versorgungsleitung (VH) wobei der oder jeder Spannungswandler (S.1, S.2) jeweils • ein versorgungsseitiges Modul (MH.1, ...) und • mindestens ein ladeseitiges Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) aufweist, wobei das oder jedes versorgungsseitige Modul (MH.1, ...) mit der Versorgungsleitung (VH) elektrisch verbunden ist, wobei jede Ladeeinheit (L.1, L.2, ...) elektrisch mit mindestens einem ladeseitigen Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) verbunden ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass • die Versorgungsleitung (VH) Strom mit einer Versorgungsspannung bereitstellt, • der oder jeder Spannungswandler (S.1, S.2) Strom mit der Versorgungsspannung in Strom mit jeweils einer Ladespannung transformiert, • das oder jedes ladeseitige Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) der oder jeder verbundenen Ladeeinheit (L.1, L.2, ...) Strom mit der oder einer Ladespannung bereitstellt und • jede Ladeeinheit (L.1, L.2, ...) während des Formierens jeweils mindestens eine Batteriezelle elektrisch kontaktiert und auflädt, wobei das Verfahren weiterhin mindestens einen Rekuperations-Schritt umfasst und wobei in dem oder jedem Rekuperations-Schritt (Rz.1_2, Rl.4_3, Rl.2_1) • Strom von einer ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) zu einer zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...) fließt und • dadurch die oder eine Batteriezelle, die von der zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...) kontaktiert ist, mit Strom von der oder einer Batteriezelle, die von der ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) kontaktiert ist, aufgeladen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spannungswandler (S.1) mindestens zwei ladeseitige Module (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) umfasst und bei dem oder mindestens einem Rekuperations-Schritt (Rl.4_3, Rl.2_1) • Strom von einer ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...), die mit einem ersten ladeseitigen Modul (MN.1.2, MN.1.4, ...) dieses Spannungswandlers (S.1) verbunden ist, • direkt zu einer zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...), die mit einem zweiten ladeseitigen Modul (MN.1.1, MN.1.3, ...) desselben Spannungswandlers (S.1) verbunden ist, fließt.
Formationsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes ladeseitige Modul (MN.1.1, ..., MN.2.1, ...) jeweils mindestens zwei ansteuerbare Schaltelemente (T1, ...) aufweist, wobei bei dem Rekuperations-Schritt (Rl.4_3, Rl.2_1), bei dem Strom von der ersten Ladeeinheit (L.2, L.4, ...) direkt zu der zweiten Ladeeinheit (L.1, L.3, ...) fließt, die Schritte durchgeführt werden, dass • jeweils ein Schaltelemente (T17, T16) beider ladeseitigen Module in einen Durchlass-Zustand geschaltet wird und • jedes weitere Schaltelement (T5, ...) dieser beiden ladeseitigen Module in den Sperr-Zustand geschaltet wird.