DE102018126904A1

DE102018126904A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern

Info

Publication number: DE102018126904A1
Application number: DE102018126904.8A
Authority: DE
Inventors: Burkard Mueller
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern einer Reihenschaltung von Energiespeichern.Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Angleichung der Ladespannungen zwischen mindestens drei Energiespeichern, wobei die Angleichung der Ladespannungen gegenüber dem genannten Stand der Technik eine verbesserte Energieeffizienz aufweist.Hierzu wird gemäß einem ersten Prinzip elektrische Energie durch abwechselndes Schalten von Schaltern paarweise und mit Zwischenspeicherung in jeweils einer Induktivität zwischen Energiespeichern der Reihenschaltung übertragen (V1), und gemäß einem zweiten Prinzip durch abwechselndes Schalten von Schaltern elektrische Energie kapazitiv zwischen Gruppen dieser Energiespeicher gleicher Anzahl übertragen (V2), wobei für das zweite Prinzip Schalter des ersten Prinzips verwendet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern einer Reihenschaltung von Energiespeichern.
Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung von Energiespeichern zur Durchführung des Verfahrens.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen Wechselrichter und eine Batterievorrichtung.
Verfahren und Schaltungsanordnungen der oben genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden bei Batterien mit einer Vielzahl von Batteriezellen derartige Verfahren und Schaltungsanordnungen eingesetzt, um eine gleichmäßige Be- und Entladung der Batteriezellen zu sichern. Auch auf dem Gebiet der Wechselrichter werden derartige Verfahren und Schaltungsanordnungen eingesetzt, da beispielsweise Wechselrichter mit einem DC-Zwischenkreis oftmals eine Vielzahl an in Reihe geschalteten Zwischenkreiskondensatoren aufweisen. Diese Zwischenkreiskondensatoren können beispielsweise als Elektrolytkondensatoren ausgebildet sein. Durch die Reihenschaltung kann trotz begrenzter Ladespannung der einzelnen Zwischenkreiskondensatoren eine hohe Zwischenkreisspannung erreicht werden, wobei auch hier eine im Wesentlichen gleiche Aufteilung der Zwischenkreisspannung auf die einzelnen Zwischenkreiskondensatoren erwünscht ist, um die einzelnen Bauteilspannungen klein zu halten. Für Wechselrichter mit 3-Level Topologie an einem geteilten DC-Zwischenkreis gilt dies im Wesentlichen ebenfalls.
Eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung und ein gattungsgemäßes Verfahren sind aus der EP 1107438 A bereits bekannt. Die offenbarte Schaltungsanordnung umfasst eine Reihenschaltung von zwei Energiespeichern. Den beiden Energiespeichern ist jeweils ein ansteuerbarer Schalter in Parallelschaltung zugeordnet, so dass bei einem Ungleichgewicht der Ladespannungen der beiden Energiespeicher eine Entladung des Energiespeichers mit der höheren Ladespannung durch Schließen des zugeordneten Schalters vorgenommen wird. Sobald eine Symmetrie der beiden Ladespannungen wieder hergestellt ist, wird der entsprechende Schalter wieder geöffnet.
Diese Schaltungsanordnung hat allerding den Nachteil, dass bei der Angleichung der Ladespannungen die Entladeleistung in Wärme umgesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchen eine Angleichung der Ladespannungen zwischen mindestens drei Energiespeichern ermöglicht ist, wobei die Angleichung der Ladespannungen gegenüber dem genannten Stand der Technik eine verbesserte Energieeffizienz aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass gemäß einem ersten Prinzip elektrische Energie durch abwechselndes Schalten von Schaltern paarweise und mit Zwischenspeicherung in jeweils einer Induktivität zwischen Energiespeichern der Reihenschaltung übertragen wird, und gemäß einem zweiten Prinzip durch abwechselndes Schalten von Schaltern elektrische Energie kapazitiv zwischen Gruppen dieser Energiespeicher gleicher Anzahl übertragen wird, wobei für das zweite Prinzip Schalter des ersten Prinzips verwendet werden, wobei insbesondere jeweils genau zwei Schalter verwendet werden für die paarweise und induktive Übertragung der elektrischen Energie zwischen zwei Energiespeichern. Mit induktiver Übertragung ist die Zwischenspeicherung in jeweils einer Induktivität gemeint.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass bei der induktiven und kapazitiven Übertragung der elektrischen Energie zwischen den Energiespeichern nur ein Bruchteil der Entladeleistung in Wärme umgesetzt wird, so dass die Energieeffizienz verbessert ist. Zudem hat das Verfahren den weiteren Vorteil, dass für das zweite Prinzip keine zusätzlichen Schalter benötigt werden. Zudem werden insbesondere für das erste Prinzip für eine induktive Übertragung der elektrischen Energie zwischen zwei Energiespeichern nur zwei Schalter und eine Induktivität benötigt. Unter einer Gruppe dieser Energiespeicher sei eine Teilmenge mit mindestens zwei Energiespeichern der mindestens drei Energiespeicher verstanden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, einem Wechselrichter nach Anspruch 11 oder einer Batterievorrichtung nach Anspruch 12 durchgeführt werden. Im Rahmen dieser Erfindung sei der Begriff ansteuerbarer Schalter und Schalter synonym verwendet. Die Schalter können beispielsweise als ansteuerbare Halbleiterschalter ausgebildet sein, beispielsweise können alle oder einige der Schalter als IGBT oder MOSFET ausgebildet sein.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher eine Angleichung der Ladespannung zwischen mindestens drei Energiespeichern ermöglicht ist, wobei die Angleichung der Ladespannungen eine verbesserte Energieeffizienz gegenüber dem genannten Stand der Technik aufweist.
Die Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Steuereinrichtung und eine Symmetrier-Einrichtung zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern der Reihenschaltung umfasst ist.
Die Symmetrier-Einrichtung bildet zusammen mit der Reihenschaltung von Energiespeichern mindestens zwei Grundschaltungen aus. Die Grundschaltung umfasst jeweils eine Reihenschaltung von genau zwei benachbarten Energiespeichern der Reihenschaltung von Energiespeichern und eine Reihenschaltung von genau zwei von der Steuereinrichtung ansteuerbaren Schaltern, die parallel zu den beiden benachbarten Energiespeichern geschaltet sind, wobei die Grundschaltung eine elektrische Quer-Verbindung mit einer Induktivität umfasst, die eine einen ersten Verbindungspunkt aufweisende und die beiden ansteuerbaren Schaltern direkt verbindende elektrischen Verbindung mit einer die beiden Energiespeicher direkt verbindenden elektrischen Verbindung verbindet, wobei die Symmetrier-Einrichtung mindestens eine Kapazität umfasst, die derart angeordnet ist, dass ein erster Verbindungpunkt einer Grundschaltung über die Kapazität elektrisch mit einem ersten Verbindungpunkt einer anderen Grundschaltung verbunden ist, so dass in mindestens einem Schaltmodus der über die Kapazität verbundenen beiden Grundschaltungen ein Angleichen der Ladespannungen zwischen den von den beiden Grundschaltungen umfassten Energiespeichern erfolgt.
Im Rahmen dieser Erfindung sei der Begriff ansteuerbarer Schalter und Schalter synonym verwendet. Die Schalter können beispielsweise als ansteuerbare Halbleiterschalter ausgebildet sein, beispielsweise können alle oder einige der Schalter als Transistor oder MOSFET oder IGBT ausgebildet sein.
Die Energiespeicher der Reihenschaltung von Energiespeichern können alle oder teilweise gleich ausgebildet sein, beispielsweise als Elektrolytkondensatoren. Derartige Reihenschaltungen von Elektrolytkondensatoren finden sich beispielsweise im Zwischenkreis von Wechselrichtern. Als weiteres Ausführungsbeispiel für einen Energiespeicher sei eine Batteriezelle genannt.
Bei der Steuereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine programmgesteuerte Einrichtung in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers, um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, einen programmierbaren Logikbaustein oder um einen Computer mit einem entsprechend installierten Computerprogrammprodukt handeln.
Die Grundschaltung umfasst eine elektrisch leitende Masche, entlang der die beiden in Reihe geschalteten Energiespeicher der Grundschaltung auf die beiden in Reihe geschalteten Schalter folgen, wobei der Abschnitt der Masche, der die beiden Energiespeicher miteinander verbindet und die beiden Schalter nicht umfasst, mit diebeiden-Energiespeicher-direkt-verbindende-elektrische-Verbindung bezeichnet ist. Hingegen ist der Abschnitt der Masche, der die beiden ansteuerbaren Schalter elektrisch miteinander verbindet und die beiden Energiespeicher nicht umfasst, mit dem Begriff die-beidenansteuerbaren-Schalter-direkt-verbindende-elektrische-Verbindung bezeichnet. Die Grundschaltung umfasst neben der elektrisch leitenden Masche noch einen Verbindungszweig, der die beiden direkten elektrischen Verbindungen miteinander verbindet, wobei der Verbindungszweig einen Induktivität umfasst, die bei der Umverteilung der Ladespannung zwischen den beiden Energiespeichern der Grundschaltung elektrische Energie zwischenspeichert. Der Verbindungszweig ist als elektrischer Quer-Verbindung bezeichnet. Werden die beiden Schalter abwechselnd geschlossenen, also temporär in einen leitenden Zustand überführt, wird elektrische Energie von einem Energiespeicher in die Induktivität übertragen und anschließend wird die in der Induktivität zwischengespeicherte elektrische Energie auf den jeweils anderen Energiespeicher übertragen, so dass sich bei fortwährendem Schaltmodus eine Angleichung der Ladespannung der beiden Energiespeicher ergibt. Hierbei geht nur ein Bruchteil der elektrischen Energie bei dem Angleichungsprozess verloren, bedingt durch die Wärmeverluste in den beteiligten Bauteilen.
Die von der Symmetrier-Einrichtung umfasste mindestens eine elektrische Verbindung mit einer Kapazität, welche zwei erste Verbindungspunkte von zwei Grundschaltungen miteinander verbindet, wird beim abwechselnden Schalten der beiden Schalter der beiden Grundschaltungen abwechselnd parallel geschaltet zu den Energiespeichern der einen oder anderen der beiden Grundschaltung und ggf. den Energiespeichern, die entlang der Reihenschaltung zwischen den Energiespeichern der beiden Grundschaltungen angeordnet sind. Da sich die Kapazität hierbei entsprechend der jeweils anliegenden Gesamtspannung auflädt, führt dies zu einer Angleichung der Gesamtspannung der abwechselnd anliegenden Energiespeichergruppe. Die Schnelligkeit der Anpassung kann beispielsweise durch Wahl der Kapazitätsgröße angepasst sein. Eine weitere Möglichkeit, die Schnelligkeit der Anpassung zu beeinflussen, besteht über eine zeitliche Verschiebung der Steuersignale zueinander, die die beteiligten Schalter ansteuern. Die Symmetrier-Einrichtung dient der Angleichung der Ladespannungen von mindestens drei Energiespeichern der Reihenschaltung von Energiespeichern. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung angegeben, wie die Schaltungsanordnung beispielsweise ausgestaltet sein kann, um eine Angleichung der Ladespannung von allen Energiespeichern der Reihenschaltung zu ermöglichen. Zur Angleichung der Ladespannung sind die von den Grundschaltungen umfassten Schalter der Symmetrier-Einrichtung von der Steuereinrichtung ansteuerbar. Hierfür sind mehrere Schaltmodi denkbar, sowohl für einen rein gesteuerten als auch einen geregelten Betrieb. Beispielsweise kann ein rein gesteuerter oder geregelter Betrieb mit nur zwei Steuersignalen auskommen. Hierbei werden die beiden Schalter jeder Grundschaltung in einen oberen und einen unteren Schalter eingeteilt (wobei mit der Einteilung keine reale Handlung verbunden ist, sondern lediglich ein Bezeichnung der Schalter zur Unterscheidung der beiden).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel für einen derartigen gesteuerten oder geregelten Schaltmodus können die oberen Schalter der Grundschaltungen alle mit ihrem vom ersten Verbindungspunkt abgewandten Anschluss mit einem gleichsinnigen Pol eines von der Grundschaltung umfassten Energiespeichers verbunden sein und mit dem einen der beiden Steuersignale angesteuert werden. Gleiches gilt für die unteren Schalter, die mit dem anderen der beiden Steuersignale angesteuert werden. Bei den Steuersignalen kann es sich um pulsweitenmodulierte Steuersignale handeln, die beispielsweise eine zeitliche Abfolge von annähernd rechteckförmigen oder dreieckförmigen Pulsen aufweisen, deren Breite, Höhe und Abstand zueinander konstant sein kann (gesteuerter Betrieb) oder variabel sein kann (gesteuerter Betrieb oder geregelter Betrieb). Beispielsweise können die beiden Steuersignale derart zueinander verschoben sein, dass zwischen einen Schaltzustand, in welchem die Schalter der Grundschaltungen geöffnet sind, abwechselnd ein Schaltzustand mit geschlossenen oberen Schaltern und ein Schaltzustand mit geschlossenen unteren Schaltern treten. Hierfür sind die Pulse des einen Steuersignals zeitlich zu dem anderen Steuersignal so verschoben, dass die Pulse mit relativem Abstand zwischen zwei aufeinander folgende Pulse des anderen Steuersignals fallen (siehe beispielsweise die in der 7 dargestellten Steuersignale, die zur Ansteuerung beispielsweise der Schalter der 2 verwendet werden können.
Bei einem gesteuerten Betrieb kann beispielsweise die Höhe und/oder die Breite und/oder das Verhältnis Breite zu Abstand der Pulse der Steuersignale in einer Anfangsphase des Ausgleichs der Ladespannungen größer gewählt sein, als in einer nachfolgenden Phase, da zu Beginn größere Differenzen in den Ladespannungen bestehen können, die schnell ausgeglichen werden sollen.
Bei einem geregelten Betrieb kann beispielsweise in Abhängigkeit einer detektierten Abweichung der Ladespannungen der auszugleichenden Energiespeicher voneinander die Höhe und/oder Breite und/oder das Verhältnis Breite zu Abstand und/oder die Frequenz der Steuersignale geregelt werden. Insbesondere besteht für eine Reihenschaltung von Energiespeichern, die in zwei oder mehrere aufeinander folgende Hälften/Gruppen unterteilt sind, die Möglichkeit, mittels der Steuersignale eine schnellere Anpassung der Ladespannungen der Energiespeicher innerhalb der Hälften/Gruppen zu realisieren, als zwischen den beiden oder mehreren Hälften/Gruppen. Hierzu können für jede Hälfte/Gruppe je zwei der oben genannten Steuersignale von der Steuereinrichtung bereitgestellt werden, wobei die Steuersignale gegeneinander derart gesteuert oder geregelt verschoben werden, dass die Zeiten, die die Hälften/Gruppen mit der mindestens einen Kapazitäten parallel geschalteten sind, die die Hälften/Gruppen miteinander ausgleichen, an die gewünschte Ausgleichsgeschwindigkeit zwischen den Hälften/Gruppen angepasst sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben.
Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Reihenschaltung von Energiespeichern in aufeinander folgende disjunkte Untermengen unterteilt ist, wobei die Untermengen jeweils mindestens zwei Energiespeicher umfassen. Die Symmetrier-Einrichtung bildet mit der Reihenschaltung von Energiespeichern Grundschaltungen aus, die derart angeordnet sind, dass innerhalb der Untermengen ein Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher der Untermengen in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltungen induktiv erfolgt. Zur Angleichung der Ladespannungen aller Energiespeicher der Reihenschaltung umfasst die Symmetrier-Einrichtung mindestens eine Kapazität, wobei die Kapazität derart angeordnet ist, dass ein erster Verbindungpunkt einer Grundschaltung einer Untermenge über die Kapazität elektrisch mit einem ersten Verbindungpunkt einer Grundschaltung einer anderen Untermenge verbunden ist, oder die Symmetrier-Einrichtung umfasst zusätzlich zu der derart angeordneten mindestens einen Kapazität mindestens eine magnetische Kopplung aufweist, welche derart angeordnet ist, dass die magnetische Kopplung eine Induktivität einer Grundschaltung einer Untermenge mit einer Induktivität einer Grundschaltung einer weiteren Untermenge koppelt.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine Angleichung der Ladespannung aller Energiespeicher der Reihenschaltung.
Im Rahmen dieser Erfindung sind die Begriffe „Anpassung der Ladespannungen“ und „Angleichung der Ladespannungen“ synonym verwendet. Der Begriff Unterteilung bezieht sich im Rahmen dieser Erfindung nicht auf eine reale Abtrennung der elektrischen Verbindung der Reihenschaltung, sondern lediglich auf eine gedankliche Untergliederung der Energiespeicher. Der Begriff „aufeinander folgende“ ist bezüglich der Anordnungsfolge entlang der Reihenschaltung zu verstehen. Beispiele für Anordnungen von Grundschaltungen, die innerhalb einer Untermenge mit zwei oder drei Energiespeichern ein Angleichen der Ladespannungen in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltungen induktiv ermöglichen, sind beispielsweise in den Ansprüchen 7 und 8 angegeben. Zur Angleichung der Ladespannungen aller Energiespeicher der Reihenschaltung verbindet die Symmetrier-Einrichtung die Untermengen mittels mindestens einer elektrischen Verbindung paarweise miteinander, wobei die elektrische Verbindung eine Kapazität umfasst. Über diese eine oder mehrere elektrischen Verbindungen lassen sich auch erste Verbindungspunkte miteinander verbinden, deren Grundschaltungen entlang der Reihenschaltung nicht direkt benachbart angeordnet sind. Alternativ kann zu der mindestens einen elektrischen Verbindung eine magnetische Kopplung von der Symmetrier-Einrichtung umfasst sein, die beispielsweise benachbarte Grundschaltungen zweier unterschiedlicher Untermengen an Energiespeichern miteinander koppelt. Die mindestens eine elektrische Verbindung oder die mindestens eine zusätzliche magnetische Kopplung sind derart angeordnet, dass gemäß der Ausgestaltung der Erfindung eine Angleichung der Ladespannungen aller Energiespeicher der Reihenschaltung ermöglicht ist.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die mindestens zwei Untermengen in zwei Hälften von entlang der Reihenschaltung von Energiespeichern aufeinander folgenden Untermengen unterteilt sind. Die Symmetrier-Einrichtung umfasst mindestens eine elektrische Verbindung mit einer Kapazität zur Umverteilung von Ladung zwischen den beiden Hälften, welche derart angeordnet ist, dass die elektrische Verbindung einen ersten Verbindungpunkt einer Grundschaltung einer Untermenge der einen Hälfte über die Kapazität elektrisch mit einem ersten Verbindungpunkt einer anderen Grundschaltung einer Untermenge der anderen Hälfte verbindet.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht über die mindestens eine elektrische Verbindung eine Umverteilung von elektrischer Ladung zwischen den Hälften und eignet sich besonders gut für einen Wechselrichter mit einer drei-Level Topologie, dessen Reihenschaltung an Energiespeichern des Zwischenkreises durch die drei-Level Topologie in zwei Hälften unterteilt ist. Die Hälften können die gleiche Anzahl an Energiespeichern aufweisen. Im Betrieb derartiger Wechselrichter ist es von Vorteil, wenn die im Betrieb auftretenden Stromrippel im Zwischenkreis innerhalb der Hälften schnell ausgeglichen werden, wohingegen eine Unsymmetrie zwischen den Hälften beispielsweise nur ausgeglichen werden sollte, wenn diese relativ zu der zeitlichen Ausdehnung eines Stromrippels längere Zeit besteht. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht eine schwächere Kopplung zwischen den Hälften als innerhalb der Hälften, indem beispielsweise die Größe der Kapazität der mindestens einen elektrischen Verbindung zur Umverteilung von elektrischer Ladung zwischen den Hälften entsprechend gewählt ist.
Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung mehrere Untermengen in einer oder beider Hälften umfasst, wobei die Symmetrier-Einrichtung derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die mehreren Untermengen einer Hälfte paarweise untereinander mit mindestens einer weiteren Untermenge der gleichen Hälfte verbunden sind, so dass ein Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher der Hälfte in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltungen der Hälfte ermöglicht ist, wobei die Verbindung zwischen zwei Untermengen der Hälfte mindestens eine Kapazität oder mindestens eine magnetische Kopplung umfasst. Im ersten Fall ist die Kapazität von einer elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Verbindungspunkt der einen der beiden Untermengen und einem ersten Verbindungspunkt der anderen der beiden Untermengen umfasst. Im zweiten Fall koppelt die magnetische Kopplung eine Induktivität einer Grundschaltung der einen von beiden Untermengen mit einer Induktivität einer Grundschaltung der anderen der beiden Untermengen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht auch im Falle mehrerer Untermengen je Hälfte der Reihenschaltung von Energiespeichern eine schnellere Angleichung der Ladespannung der Energiespeicher innerhalb der Hälften, als zwischen den Hälften der Reihenschaltung. Hierfür kann beispielsweise die Größe der Kapazität der mindestens einen Kapazität, die von einer die beiden Hälften verbindenden elektrischen Verbindung umfasst ist, kleiner gewählt sein als die Größe der Kapazität der mindestens einen Kapazität, die von einer zwei Untermengen einer Hälfte verbindenden elektrischen Verbindung umfasst ist.
Sofern die Schaltungsanordnung mindestens eine magnetische Kopplung zwischen den Untermengen umfasst, kann diese beispielsweise die Induktivität einer Grundschaltung einer Untermenge mit einer Induktivität einer direkt benachbarten Grundschaltung einer anderen Untermenge koppeln. Dadurch erstreckt sich die magnetische Kopplung über eine kürzere Distanz. Aufgrund der magnetischen Kopplung kann es zu Ausgleichströmen zwischen den beiden Grundschaltungen kommen, die unvorteilhaft hoch sind. Um diesen Umstand zu verbessern, können die beiden Grundschaltungen mit einem Schaltmodus betrieben werden, der die Ausgleichströme reduziert gegenüber einem die beiden Grundschaltungen synchron schaltenden Schaltmodus.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass mindestens eine elektrische Verbindung der Symmetrier-Einrichtung, welche einen ersten Verbindungspunkt einer Grundschaltung über eine Kapazität mit einem ersten Verbindungspunkt einer anderen Grundschaltung verbindet, eine Reihenschaltung umfasst, welche die Kapazität und zusätzlich eine Induktivität und/oder einen Widerstand umfasst.
Durch die zusätzliche Induktivität ist eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Anordnung ermöglicht, da sie als Resonanzelement wirkt. Die zusätzliche Induktivität kann als Drossel ausgebildet sein. Durch den zusätzlichen Widerstand lassen sich Pulsströme begrenzen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Reihenschaltung an Energiespeichern mindestens eine Untermenge mit genau zwei aufeinander folgenden Energiespeichern umfasst, die beide von genau einer und derselben Grundschaltung umfasst sind, so dass eine Anpassung der Ladespannungen zwischen den beiden Energiespeichern der Untermenge in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltung erfolgt. Insbesondere kann die Reihenschaltung an Energiespeichern eine Anzahl von 4 ≤ 2n Energiespeichern umfassen, die in n Untermengen von je zwei direkt aufeinander folgende Energiespeichern unterteilt sind, die beide von genau einer und derselben Grundschaltung umfasst sind, so dass die Symmetrier-Einrichtung in Bezug auf die Angleichung der Ladespannung der 2n Energiespeicher genau n Grundschaltungen mit 2n Schaltern und n Induktivitäten umfasst.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine Angleichung der Ladespannung einer geraden Anzahl von Energiespeichern der Reihenschaltung mittels einer von der Symmetrier-Einrichtung umfassten besonders geringen Anzahl an Schaltern und Induktivitäten. Hierzu umfasst die Reihenschaltung mindestens eine Untermenge mit genau zwei direkt aufeinander folgenden Energiespeichern, die nur von einer Grundschaltung umfasst ist. Zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zwischen den beiden Energiespeichern kann beispielsweise ein Schaltmodus der Grundschaltung verwendet werden, bei dem durch abwechselndes Schalten der Schalter zwischen einen Schaltzustand, in dem beide Schalter geöffnet sind, stets ein Zustand mit einem geschlossenen Schalter tritt, wobei die beiden Schalter der Grundschaltung abwechselnd geschlossenen werden. Dadurch gleichen sich die Ladespannungen der beiden Energiespeicher nach einiger Zeit aneinander an. Die Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht auch eine Angleichung der Energiespeicher Ladespannungen bei n derartigen Untermengen aus jeweils zwei direkt aufeinander folgenden Energiespeichern der Reihenschaltung mittels einer von der Symmetrier-Einrichtung umfassten besonders geringen Anzahl an Schaltern und Induktivitäten. Die n derartigen Untermengen können beispielsweise 2n direkt aufeinander folgende Energiespeicher der Reihenschaltung bei entsprechender Unterteilung sein. Zur Angleichung der Ladespannungen der 2n Energiespeicher umfasst die Symmetrier-Einrichtung genau n Grundschaltungen mit 2n Schaltern und n Induktivitäten. Mit den Grundschaltungen ist eine paarweise Angleichung der Ladespannungen ermöglicht. Um die Angleichung der Ladespannungen aller 2n Energiespeicher zu ermöglichen, umfasst die Symmetrier-Einrichtung noch eine ausreichende Anzahl von elektrischen Verbindungen zwischen ersten Verbindungspunkten und/oder eine ausreichende Anzahl an magnetischen Kopplungen.
Im Folgenden seien drei Ausgestaltungen der Erfindung angegeben, wie die Anordnung dieser elektrischen Verbindungen bzw. der magnetischen Kopplungen vorgesehen sein kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Reihenschaltung vier direkt aufeinanderfolgende Energiespeicher umfassen, die in zwei Untermengen mit je zwei direkt aufeinander folgenden Energiespeichern aufgeteilt sind, wobei die Symmetrier-Einrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung derart ausgebildet ist, dass jede der beiden Untermengen jeweils genau von einer Grundschaltung umfasst ist, wobei die Symmetrier-Einrichtung eine elektrische Verbindung mit einer Kapazität umfasst, welche einen ersten Verbindungspunkt der einen der beiden Grundschaltungen über die Kapazität mit einem ersten Verbindungspunkt der anderen der beiden Grundschaltungen verbindet. Insbesondere kann die Reihenschaltung acht direkt aufeinander folgende Energiespeicher umfassen, die in zwei aufeinander folgende Hälften von Energiespeichern unterteilt sind, wobei die Symmetrier-Einrichtung bezüglich jeder Hälfte gemäß der ersten Ausgestaltung ausgebildet ist, wobei die Symmetrier-Einrichtung mindestens eine weitere elektrische Verbindung mit einer Kapazität umfasst, so dass die beiden ersten äußeren Verbindungspunkte über eine erste weitere Kapazität elektrisch verbunden sind und/oder die beiden inneren ersten Verbindungspunkte über eine weitere Kapazität elektrisch verbunden sind.
Diese beiden Ausgestaltungen der Erfindung beziehen sich auf mögliche Anordnungen der von der Symmetrier-Einrichtung umfassten Kapazitäten bzw. magnetischen Kopplungen für eine Angleichung der Ladespannungen von vier bzw. acht Energiespeichern (siehe 1 und 2).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Reihenschaltung acht direkt aufeinander folgende Energiespeicher umfassen, wobei zwei äußere Paare aus direkt aufeinander folgenden Energiespeichern der acht Energiespeicher jeweils von genau einer äußeren Grundschaltung umfasst sind und zwei innere Paare aus direkt aufeinander folgenden Energiespeichern der acht Energiespeicher jeweils von genau einer inneren Grundschaltung umfasst sind, deren Induktivität jeweils mit einer Induktivität einer äußeren Grundschaltung magnetisch gekoppelt ist, die ein zu dem jeweiligen inneren Paar entlang der Reihenschaltung direkt benachbartes äußeres Paar an Energiespeichern umfasst, wobei die ersten Verbindungspunkte der beiden äußeren Grundschaltungen jeweils über eine Kapazität mit einem ersten Verbindungspunkt einer an die andere äußere Grundschaltung angrenzenden inneren Grundschaltung elektrisch verbunden sind.
Diese Ausgestaltungen der Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine mögliche Anordnung der von der Symmetrier-Einrichtung umfassten Kapazitäten bzw. magnetischen Kopplungen für eine Angleichung der Ladespannungen von acht direkt aufeinander folgenden Energiespeichern der Reihenschaltung (siehe 4).
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Reihenschaltung an Energiespeichern mindestens eine Untermenge mit genau drei aufeinander folgenden Energiespeichern umfasst, wobei die beiden äußeren der drei Energiespeicher gemäß einer zweiten Ausgestaltung von, insbesondere beidseitig der Reihenschaltung angeordneten, unterschiedlichen Grundschaltungen, aber genau von einer und derselben Grundschaltung umfasst sind, wie der mittlere der drei Energiespeicher, so dass eine Anpassung der Ladespannungen zwischen den drei Energiespeichern der Untermenge in mindestens einem Schaltmodus der beiden Grundschaltungen induktiv erfolgt, wobei insbesondere die Reihenschaltung sechs aufeinander folgende Energiespeichern umfasst, die in zwei aufeinander folgende derartige Untermengen unterteilt sind, wobei die Symmetrier-Einrichtung jeweils mit den beiden Untermengen Grundschaltungen gemäß der zweiten Ausgestaltung ausbildet und zwei, insbesondere jeweils eine beidseitig der Reihenschaltung angeordnete, elektrische Verbindungen umfasst, welche einen ersten Verbindungspunkt der einen Untermenge über eine Kapazität mit einem ersten Verbindungspunkt der anderen Untermenge verbindet.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine induktive Angleichung der Ladungsspannung zwischen drei aufeinander folgenden Energiespeichern der Reihenschaltung, so dass elektrische Energie durch abwechselndes Schalten von Schaltern paarweise und jeweils mittels Zwischenspeicherung in einer Induktivität zwischen den drei Energiespeichern der Reihenschaltung übertragen wird. Die spezielle Anordnung der zwei Grundschaltungen, insbesondere auch beidseitig der drei Energiespeicher der Reihenschaltung, ist mit zweite Ausgestaltung bezeichnet. Zur Angleichung der Ladespannung der Energiespeicher zwischen zwei derartigen Untermengen umfasst die Symmetrier-Einrichtung gemäß einer Weiterbildung der Ausgestaltung der Erfindung zwei elektrische Verbindungen mit je einer Kapazität, die insbesondere beidseitig der Reihenschaltung angeordnet sein können, wobei ein Paar der Grundschaltungen mittels der einen elektrischen Verbindung und das andere Paar mittels der anderen elektrischen Verbindung miteinander kapazitiv verbunden ist. Alternativ könnten eine oder beide der elektrischen Verbindungen durch jeweils eine magnetische Kopplung ersetzt sein. Die Ausgestaltung der Erfindung umfasst zum Angleichen der Ladespannung von drei Energiespeichern genau zwei Grundschaltungen mit vier Schaltern und zwei Induktivitäten. Die Weiterbildung der Ausgestaltung der Erfindung umfasst zum Angleichen der Ladespannung von sechs Energiespeichern genau vier Grundschaltungen mit acht Schaltern und vier Induktivitäten (siehe 3).
Vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass die beiden Schalter jeder Grundschaltung in einen oberen und einen unteren Schalter aufgeteilt sind, wobei der obere Schalter mit seinem vom ersten Verbindungspunkt abgewandten Anschluss mit einem positiven Pol eines von der Grundschaltung umfassten Energiespeichers verbunden ist. Das heißt, der untere Schalter ist mit seinem vom ersten Verbindungspunkt abgewandten Anschluss mit einem negativen Pol eines von der Grundschaltung umfassten Energiespeichers verbunden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, in einem ersten Schaltmodus die oberen Schalter der Grundschaltungen mit einem ersten Steuersignal, insbesondere synchron, anzusteuern und die unteren Schalter der Grundschaltungen mit einem zweiten Steuersignal, insbesondere synchron, anzusteuern, so dass in steter Abfolge zwischen einen Schaltzustand, in welchem die Schalter der Grundschaltungen geöffnet sind, abwechselnd ein Schaltzustand mit geschlossenen oberen Schaltern und ein Schaltzustand mit geschlossenen unteren Schaltern tritt.
Diese Ausgestaltung der Erfindung kommt in einem ersten Schaltmodus zur Ansteuerung der Schalter der Grundschaltungen mit nur zwei Steuersignalen der Steuereinrichtung aus. Sie eignet sich sowohl für einen rein gesteuerten Betrieb der Schaltungsanordnung als auch für einen geregelten Betrieb. Bezüglich der möglichen Ausgestaltungen der beiden Steuersignale siehe auch die Ausführungen zu Anspruch 2 weiter oben. Die Ausführungen zu Anspruch 2 finden sich in der Beschreibung zwischen der Wiedergabe des Anspruchswortlauts von Anspruch 2 und der Wiedergabe des Anspruchswortlauts von Anspruch 3.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet und eingerichtet sein, in einem gesteuerten oder geregelten Betrieb der Schaltungsanordnung die Schalter der Grundschaltungen der einen Hälfte mittels des ersten Schaltmodus zu schalten und die Schalter der Grundschaltungen der anderen Hälfte gemäß einem zweiten Schaltmodus zu schalten, so dass eine Anpassung der Ladespannungen der beiden Hälften mittels der Steuereinrichtung einstellbar ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich besonders für einen Wechselrichter mit einer drei-Level-Topologie und einem geteilten DC-Zwischenkreis mit einer Reihenschaltung an Energiespeichern, deren Ladespannungen aneinander angeglichen werden sollen. Siehe hierzu auch die Ausführungen zu Anspruch 2 und die hier angegebenen Ausführungsbeispiele zur Ansteuerung der Schalter der Grundschaltungen. Die Ausführungen zu Anspruch 2 finden sich in der Beschreibung zwischen der Wiedergabe des Anspruchswortlauts von Anspruch 2 und der Wiedergabe des Anspruchswortlauts von Anspruch 3.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Schaltungsanordnung Detektions-Mittel zur Detektion der Ladespannung der einzelnen Energiespeicher der Reihenschaltung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, Messwerte der Detektions-Mittel zu empfangen und in Abhängigkeit der Messwerte Steuersignale zum Ansteuern der Schalter der Grundschaltungen anzupassen.
Bei den Steuersignalen kann es sich um pulsweitenmodulierte Steuersignale handeln, die beispielsweise eine zeitliche Abfolge von annähernd rechteckförmigen oder dreieckförmigen Pulsen aufweisen, deren Breite, Höhe und Abstand zueinander variabel sein kann Beispielsweise kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, mindestens zwei Steuersignale bereitzustellen, welche derart zueinander verschoben sind, dass eine Grundschaltung, deren oberer Schalter von dem einen und deren unterer Schalter von dem anderen Steuersignal angesteuert wird, derart geschaltet wird, dass zwischen einen Schaltzustand, in welchem die Schalter der Grundschaltungen geöffnet sind, abwechselnd ein Schaltzustand mit geschlossenen oberen Schaltern und ein Schaltzustand mit geschlossenen unteren Schaltern tritt. Hierfür sind die Pulse des einen Steuersignals zeitlich zu dem anderen Steuersignal so verschoben, dass die Pulse mit relativem Abstand zwischen zwei aufeinander folgende Pulse des anderen Steuersignals fallen. Bei einem geregelten Betrieb gemäß der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise in Abhängigkeit einer detektierten Abweichung der Ladespannungen der anzugleichenden Energiespeicher die Höhe und/oder Breite und/oder das Verhältnis Breite zu Abstand und/oder die Frequenz der mindestens zwei Steuersignale geregelt werden, so dass eine Zeitspanne zum Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher im Wesentlichen unabhängig ist von der Abweichung der Ladespannungen voneinander. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise vier Steuersignale bereitstellen und die Reihenschaltung der Energiespeicher in zwei Hälften unterteilt sein, so dass ein erstes und zweites Steuersignal entsprechend der obigen Ausführungen die Schalter der Grundschaltungen der einen Hälfte und ein drittes und viertes Steuersignal entsprechend der obigen Ausführungen die Schalter der Grundschaltungen der anderen Hälfte ansteuert. Dadurch kann eine Zeitspanne zum Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher innerhalb der Hälften unabhängig von einer Zeitspanne zum Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher zwischen den beiden Hälften geregelt werden. Siehe hierzu auch die Ausführungen zu Anspruch 2.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Wechselrichter, der mindestens einem DC-Zwischenkreis und einem DC/AC-Umrichter umfasst, wobei der DC-Zwischenkreis eingangsseitig mit einer DC-Spannung versorgbar ist und der DC/AC-Umrichter ausgangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbindbar ist. Der DC-Zwischenkreis umfasst einen ersten Leistungspfad, der einen ersten Eingang des DC-Zwischenkreises mit einem ersten Eingang des DC/AC-Umrichters verbindet, und einen zweiten Leistungspfad, der einen zweiten Eingang des DC-Zwischenkreises mit einem zweiten Eingang des DC/AC-Umrichters verbindet. Der DC-Zwischenkreis umfasst auch eine Reihenschaltung von Energiespeichern, die die beiden Leistungspfade elektrisch verbindet, sowie eine Schaltungsanordnung zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern der Reihenschaltung.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Wechselrichter anzugeben, mit welchem eine Angleichung der Ladespannungen zwischen mindestens drei Energiespeichern der Reihenschaltung ermöglicht ist, wobei die Angleichung der Ladespannungen gegenüber dem genannten Stand der Technik eine verbesserte Energieeffizienz aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10 ausgebildet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Batterievorrichtung mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, die jeweils eine Ladespannung in einem Ladezustand aufweisen, und einem Batteriemanagement-System, wobei das Batteriemanagement-System zum Angleichen von Ladespannungen von Batteriezellen ausgebildet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Batterievorrichtung anzugeben, mit der eine Angleichung der Ladespannung zwischen mindestens drei Batteriezellen der Reihenschaltung von Batteriezellen ermöglicht ist, wobei die Angleichung der Ladespannungen gegenüber dem genannten Stand der Technik eine verbesserte Energieeffizienz aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 ausgebildet.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
Dabei zeigt die

1 schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 schematisch einen Wechselrichter mit einer Batterievorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
7 ein Diagramm, welches schematisch den zeitlichen Verlauf von Steuersignalen darstellt.

Die 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst eine Reihenschaltung 2 von vier Energiespeichern C1, C2, C3, C4, eine Steuereinrichtung 3 und eine Symmetrier-Einrichtung 4 zum Angleichen von Ladespannungen zwischen den Energiespeichern C1, C2, C3, C4 der Reihenschaltung 2. Die Symmetrier-Einrichtung 4 bildet zusammen mit der Reihenschaltung 2 von Energiespeichern C1, C2, C3, C4 zwei Grundschaltungen 5, 6 aus. Die Grundschaltung 5 umfasst eine maschenförmige elektrische Verbindung 7, entlang der die beiden Energiespeicher C1 und C2 und die beiden Schalter T1 und T2 in Reihe angeordnet sind, so dass die beiden in Reihe geschalteten Schalter T1 und T2 parallel zu den beiden in Reihe geschalteten Energiespeichern C1 und C2 geschaltet sind.
Die Grundschaltung 5 umfasst zudem eine elektrische Quer-Verbindung 8 mit einer Induktivität L1, die eine einen ersten Verbindungspunkt 9 aufweisende und die beiden ansteuerbaren Schaltern T1 und T2 direkt verbindende elektrischen Verbindung 10 mit einer die beiden Energiespeicher C1, C2 direkt verbindenden elektrischen Verbindung 11 verbindet. Die Grundschaltung 6 ist entsprechend der Grundschaltung 5 aufgebaut und umfasst die Energiespeicher C3, C4 sowie die Schalter T3 und T4 und die Induktivität L2, wobei sich die beiden maschenförmigen elektrischen Verbindungen 7 den Abschnitt 7a gemeinsam teilen. Die Symmetrier-Einrichtung 4 umfasst zudem eine elektrische Verbindung 12, die den ersten Verbindungspunkt 9 der Grundschaltung 5 über die Kapazität C5 mit dem ersten Verbindungspunkt 9 der Grundschaltung 6 verbindet. Die Schalter T1, T2, T3 und T4 sind von der Steuereinrichtung 3 ansteuerbar, die aus mehreren baulichen Einheiten bestehen kann und Steuerleitungen umfasst, die direkt mit den Steuereingängen der Schalter T1, T2, T3, T4 verbunden sind. Eine derartige Steuerleitung 13 ist exemplarisch dargestellt. Im Betrieb der Schaltungsanordnung steuert die Steuereinrichtung 3 die Schalter T1, T2, T3, T4 derart, dass in mindestens einem Schaltmodus ein Angleichen der Ladespannungen der von den beiden Grundschaltungen 5 und 6 umfassten Energiespeicher C1, C2, C3, C4 erfolgt. Hierzu kann die Steuereinrichtung beispielsweise die beiden oberen Schalter T1 und T3 mit einem ersten Steuersignal synchron und die beiden unteren Schalter T2 und T4 mit einem zweiten Steuersignal synchron beaufschlagen, so dass in steter Abfolge zwischen einen Schaltzustand, in welchem alle vier Schalter geöffnet (also nicht leitend) sind, abwechselnd ein Schaltzustand tritt, in welchem beide oberen Schalter T1 und T3 geschlossen (also leitend) sind bzw. beide unteren Schalter T2, T4 geschlossen (also leitend) sind. In 7 ist ein Verlauf der beiden Steuersignale beispielhaft angegeben. Der Schaltmodus schaltet die Kapazität C5 bei geschlossenen T1 und T3 parallel zu C1 und C2 und bei geschlossenen T2 und T4 parallel zu C3 und C4, so dass die Gesamtspannung der in Reihe geschalteten Energiespeicher C1 und C2 an die Gesamtspannung der in Reihe geschalteten Energiespeicher C3 und C4 angeglichen wird. Gleichzeitig wird bei diesem Schaltmodus die Ladespannung der Energiespeicher C1 und C2 aneinander angeglichen, sowie die Ladespannung der Energiespeicher C3 und C4, da die Induktivitäten L1 und L2 abwechselnd mit dem einen und dann mit dem anderen Schalter der jeweiligen Grundschaltung in Reihe geschaltet werden. In dieser Weise ist eine Angleichung der Ladespannung der vier Energiespeicher C1, C2, C3, C4 in einer verbesserten Energieeffizienz gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik ermöglicht. Die elektrische Energie wird gemäß einem ersten Prinzip durch abwechselndes Schalten von Schaltern paarweise und mit Zwischenspeicherung in jeweils einer Induktivität zwischen Energiespeichern der Reihenschaltung übertragen und gemäß einem zweiten Prinzip durch abwechselndes Schalten von Schaltern kapazitiv zwischen Gruppen dieser Energiespeicher gleicher Anzahl übertragen, wobei für das zweite Prinzip Schalter des ersten Prinzips verwendet werden.
Die 2 zeigt eine Schaltungsanordnung 16 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsanordnung 16 umfasst eine Reihenschaltung 17 mit acht Energiespeichern C1 bis C4, C6 bis C9 und eine Symmetrier-Einrichtung 18, die zusammen mit der Reihenschaltung 17 vier Grundschaltungen 5, 6, 19, 20 ausbildet. Die Grundschaltungen 5 und 20 können als äußere Grundschaltungen bezeichnet werden und die Grundschaltungen 6 und 19 als innere Grundschaltungen. Die beiden ersten Verbindungspunkte 9 der beiden Grundschaltungen 5 und 6 sind wie in 1 mittels der elektrischen Verbindung 12 über die Kapazität C5 miteinander verbunden. Die beiden ersten Verbindungspunkte 9 der Grundschaltungen 19 und 20 sind analog zur 1 mittels der elektrischen Verbindung 21 über die Kapazität C10 miteinander verbunden. Im Unterschied zur 1 sind zudem die ersten Verbindungspunkte 9 der beiden äußeren Grundschaltungen mittels der elektrischen Verbindung 22 über die Kapazität C12 verbunden und die beiden ersten Verbindungspunkte 9 der beiden inneren Grundschaltungen mittels der elektrischen Verbindung 23 über die Kapazität C11. Die Schaltungsanordnung 16 umfasst ebenfalls eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) zum Ansteuern der Schalter T1 bis T8. Im Betrieb der Schaltungsanordnung 16 kann beispielsweise der bereits bei 1 beschriebene Schaltmodus zum Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher C1 bis C4, C6 bis C9 verwendet werden. Hierzu werden die Schalter T1, T3, T5, T7, die als obere Schalter bezeichnet werden, mit dem ersten Steuersignal beaufschlagt, und die Schalter T2, T4, T6 und T8, die als untere Schalter bezeichnet werden, mit dem zweiten Steuersignal beaufschlagt. Die oberen Schalter sind mit ihrem vom ersten Verbindungspunkt abgewandten Anschluss 24 mit einem Pluspol 25 des gegenüberliegenden Energiespeichers der entsprechenden Grundschaltung verbunden. Die unteren Schalter sind mit ihrem vom ersten Verbindungspunkt abgewandten Anschluss 24 mit einem Minuspol 26 des gegenüberliegenden Energiespeichers der entsprechenden Grundschaltung verbunden. Werden die Schalter T1 bis T8 entsprechend dem bei 1 beschriebenen Schaltmodus betrieben, gleichen sich die Ladespannungen der Energiespeicher jeder Grundschaltung paarweise und induktiv aneinander an. Zudem wird gleichzeitig die Gesamtspannung der Energiespeicher jeder Grundschaltung mittels der Kapazitäten C5, C11 und C10 an die Gesamtspannung der Energiespeicher der direkt benachbarten Grundschaltung/en kapazitiv angeglichen und gleichzeitig wird mittels der elektrischen Verbindung 22 und der Kapazität C12 die Gesamtspannung der Energiespeicher von C1 bis C7 an die Gesamtspannung der Energiespeicher von C3 bis C9 kapazitiv angeglichen. In dieser Weise ist eine Angleichung der Ladespannungen der acht Energiespeicher der Reihenschaltung 17 mit einer gegenüber dem genannten Stand der Technik verbesserten Energieeffizienz ermöglicht.
Die in 2 dargestellte Schaltungsanordnung 16 ist ein Beispiel dafür, dass die Reihenschaltung 17 in n = vier Untermengen mit jeweils genau zwei aufeinander folgenden Energiespeichern aufgeteilt ist, die beide genau von einer und derselben Grundschaltung umfasst sind. Beispielsweise bilden die Energiespeicher C1 und C2 eine derartige Untermenge 28, so dass die Symmetrier-Einrichtung 18 in Bezug auf die Angleichung der Ladespannung der 2n = 2mal vier Energiespeicher genau n = vier Grundschaltungen mit 2n = acht Schaltern und n = vier Induktivitäten umfasst.
Die 3 zeigt eine Schaltungsanordnung 29 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Reihenschaltung 30 von sechs Energiespeichern C1, C2, C3, C4, C6, C7, die in zwei Untermengen 31, 32 unterteilt sind, die jeweils genau drei direkt aufeinander folgende Energiespeicher umfassen. Die beiden äußeren Energiespeicher C1 und C3 der Untermenge 31 sind von beidseitig der Reihenschaltung 30 angeordneten, unterschiedlichen Grundschaltungen 33 und 34 umfasst und von einer und derselben Grundschaltung, wie der mittlere Energiespeicher C2 der drei Energiespeicher C1, C2, C3. Gleiches gilt analog für die beiden äußeren Energiespeicher C4 und C7 der Untermenge 32 bezüglich der beiden Grundschaltungen 35 und 36 und dem mittleren Energiespeicher C6 der drei Energiespeicher C4, C6, C7. Beidseitig der Reihenschaltung 30 befindet sich jeweils eine elektrische Verbindung 38, 39 der Symmetrier-Einrichtung 37, welche einen ersten Verbindungspunkt 9 der Untermenge 31 über eine Kapazität C13, C14 mit einem ersten Verbindungspunkt 9 der Untermenge 32 verbindet.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung 29 können die Schalter T1 bis T8 analog dem bei 1 beschriebenen Schaltmodus betrieben werden, wobei eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) der Schaltungsanordnung die oberen Schalter T1, T3, T5, T7 mit dem ersten Steuersignal und die unteren Schalter T2, T4, T6 und T8 mit dem zweiten Steuersignal beaufschlagt. Dadurch erfolgt eine Anpassung der Ladespannungen zwischen den drei Energiespeichern der Untermengen 31 bzw. 32 induktiv mittels der jeweiligen zwei Grundschaltungen 33, 34 bzw. 35, 36. Gleichzeitig erfolgt eine Anpassung der Gesamtspannung der Energiespeicher C1, C2, C3 an die Gesamtspannung der Energiespeicher C3, C4, C6 kapazitiv mittels der elektrischen Verbindung 38 und eine Anpassung der Gesamtspannung der Energiespeicher C2, C3, C4 an die Gesamtspannung der Energiespeicher C4, C6, C7 mittels der elektrischen Verbindung 39.
Die 4 zeigt eine Schaltungsanordnung 40 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsanordnung 40 umfasst eine Reihenschaltung 41 mit acht Energiespeichern C1 bis C4 und C5 bis C9. Die Energiespeicher der Reihenschaltung 41 sind in disjunkte Untermengen 28, 42, 43, 44 mit jeweils genau zwei direkt aufeinander folgenden Energiespeichern unterteilt, wobei die Untermengen in zwei Hälften 46, 48 von aufeinander folgenden Untermengen unterteilt sind. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Symmetrier-Einrichtung 49, welche zusammen mit der Reihenschaltung 41 Grundschaltungen 5, 6, 19, 20 ausbildet. Die Symmetrier-Einrichtung 49 ist derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die beiden Untermengen 28, 42 bzw. 43, 44 einer Hälfte paarweise untereinander verbunden sind, so dass ein Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher innerhalb der Hälften 46, 48 in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltungen 5, 6, 19, 20 ermöglicht ist. Die Verbindung zwischen den beiden Untermengen 28 und 42 der Hälfte 46 ist hierbei mittels einer magnetischen Kopplung 50 realisiert, die die Induktivität L1 der Grundschaltung 5 der Untermenge 28 mit der Induktivität L2 der Grundschaltung 6 der Untermenge 42 koppelt. Die beiden Untermengen 43, 44 der Hälfte 48 sind ebenfalls mittels einer magnetischen Kopplung 51 verbunden, die die Induktivität L3 der Grundschaltung 19 der Untermenge 43 mit der Induktivität L4 der Grundschaltung 20 der Untermenge 44 koppelt. Zur Umverteilung von Ladung zwischen den Hälften 46 und 48 umfasst die Symmetrier-Einrichtung eine elektrische Verbindung 52 und eine elektrische Verbindung 53. Die elektrische Verbindung 52 verbindet einen ersten Verbindungspunkt 9 der Grundschaltung 5 der Untermenge 28 der Hälfte 46 mit einem ersten Verbindungspunkt 9 der Grundschaltung 19 der Untermenge 43 der Hälfte 48 über eine Reihenschaltung aus der Kapazität C5, der Induktivität 54 und dem Widerstand 55.
In analoger Weise sind die Grundschaltungen 6 und 20 über die elektrische Verbindung 53 miteinander verbunden. Die Schaltungsanordnung 40 umfasst zur Ansteuerung der Schalter T1 bis T8 eine Steuereinrichtung 3, wobei exemplarisch eine Steuerleitung 13 zwischen der Steuereinrichtung 3 und einem Steuereingang des Schalters T8 dargestellt ist. Die Schaltungsanordnung 40 umfasst auch Detektions-Mittel 56 zur Detektion der Ladespannung der einzelnen Energiespeicher C1 bis C4, C6 bis C9 der Reihenschaltung. Exemplarisch ist ein Detektions-Mittel 56 dargestellt, welches die Ladespannung des Energiespeichers C9 detektiert. Zum Empfang der Messwerte des Detektions-Mittels 56 ist die Steuereinrichtung 3 über Datenverbindungen 57 mit den Detektions-Mitteln 56 verbunden, wobei exemplarisch eine derartige Datenverbindung 57 eingezeichnet ist. Die Steuereinrichtung 3 ist dazu eingerichtet, Messwerte bezüglich der Ladespannung aller Energiespeicher der Reihenschaltung 41 von den Detektions-Mitteln 56 über die Datenverbindungen 57 zu empfangen und in Abhängigkeit der Messwerte Steuersignale zum Ansteuern der Schalter T1 bis T8 anzupassen. Die Steuereinrichtung 3 kann aus den Messwerten eine Abweichung der Gesamtspannung der Energiespeicher der beiden Hälften voneinander ermitteln sowie eine Abweichung der Ladespannungen der Energiespeicher innerhalb der beiden Hälften und Steuersignale anpassen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung die Schalter der Hälfte 46 mit einem ersten und zweiten Steuersignal entsprechend dem bei 1 beschriebenen Schaltmodus betreiben und die Schalter der Hälfte 48 mit einem dritten und vierten Steuersignal entsprechend dem bei 1 beschriebenen Schaltmodus, so dass in Abhängigkeit der Messwerte durch einen zeitlichen Verzug zwischen den Steuersignalen beider Hälften eine Angleichung der Gesamtspannung der Energiespeicher beiden Hälften unabhängig von einer Angleichung der Ladespannungen der Energiespeicher innerhalb der Hälften geregelt werden kann.
Die 5 zeigt einen Wechselrichter 60 und eine Batterievorrichtung 61 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Wechselrichter 60 umfasst einen DC/DC-Steller 62, der eingangsseitig mit einem DC-Generator 63 verbunden ist und einen DC/AC-Umrichter 65, der ausgangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz 66 verbunden ist. Zwischen dem DC/DC-Steller 62 und dem DC/AC-Umrichter 65 ist ein DC-Zwischenkreis 64 des Wechselrichters 60 angeordnet, der eingangsseitig mit einer DC-Spannung von dem DC/DC-Steller 62 versorgbar ist. Der DC-Zwischenkreis 64 umfasst einen ersten Leistungspfad 67, der einen ersten Eingang 67a des DC-Zwischenkreises 64 mit einem ersten Eingang 67b des DC/AC-Umrichters 65 verbindet und einen zweiten Leistungspfad 68, der einen zweiten Eingang 68a des DC-Zwischenkreises 64 mit einem zweiten Eingang 68b des DC/AC-Umrichters 65 verbindet. Zudem umfasst der DC-Zwischenkreis 64 eine Reihenschaltung 2 von Energiespeichern C1 bis C4, die die beiden Leistungspfade 67, 68 verbindet. Der Wechselrichter 60 umfasst eine Schaltungsanordnung 1 entsprechend der 1 zum Angleichen von Ladespannungen zwischen den Energiespeichern C1 bis C4. Zum Anschluss der Batterievorrichtung 61 umfasst der Wechselrichter eine bidirektionalen DC/DC-Steller 70, der zwischen den DC-Zwischenkreis 64 und die Batterievorrichtung 61 geschaltet ist. Die Batterievorrichtung 61 umfasst acht in Reihe geschalteten Batteriezellen 71, von denen eine exemplarisch dargestellt ist. Die Batteriezellen weisen jeweils eine Ladespannung in einem Ladezustand auf. Die Batterievorrichtung 61 umfasst zudem ein Batteriemanagement-System 72, welches u.a. zum Angleichen von Ladespannungen der Batteriezellen ausgebildet ist. Hierzu umfasst das Batteriemanagement-System 72 eine Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) mit einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) entsprechend der 2. Die Steuereinrichtung kann von der Steuerung des Batteriemanagement-Systems 72 umfasst sein. Das Batteriemanagement-System 72 umfasst neben der Steuerung des Batteriemanagement-Systems 72 und der Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) noch Sensoren (nicht dargestellt), von denen einige beispielsweise die Temperatur der Batteriezellen und einige beispielsweise deren Ladezustand messen. Die Steuerung (nicht dargestellt) des Batteriemanagement-Systems 72 ist derart eingerichtet und ausgebildet, dass die Messwerte der Sensoren (nicht dargestellt) an die Steuerung (nicht dargestellt) übermittelt werden und von dieser zur Detektion sicherheitskritischer Zustände und des Gesamtladezustandes (SOC) der Batterievorrichtung 61 verwendet werden. Die Sensoren (nicht dargestellt) zur Messung des Ladezustandes der Batteriezellen 71 sind zudem derart mit der Steuerung (nicht dargestellt) der Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) verbunden, dass die Messwerte an diese übermittelt werden und für einen geregelten Betrieb der Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) verwendet werden können. Die Batterievorrichtung 61 ist mit ihren zwei Polen jeweils über einen Leistungspfad mit dem bidirektionalen DC/DC-Steller 70 verbunden, wobei jeder der beiden Leistungspfad einen von der Steuerung des Batteriemanagement-Systems 72 ansteuerbaren Schalter (nicht dargestellt) umfasst, der im Falle eines maximalen Ladezustandes oder eines sicherheitskritischen Zustandes die Batterievorrichtung 61 vom bidirektionalen DC/DC-Steller 70 trennt. Bei den Batteriezellen 71 kann es sich um Lithium-Ionen-Batteriezellen handeln.
Die 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens von Ladespannungen zwischen Energiespeichern einer Reihenschaltung von Energiespeichern gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt V1 gemäß einem ersten Prinzip elektrische Energie durch abwechselndes Schalten von Schaltern induktiv und paarweise zwischen Energiespeichern der Reihenschaltung übertragen wird, wobei jeweils genau zwei Schalter verwendet werden für die induktive und paarweise Übertragung der elektrischen Energie zwischen zwei Energiespeichern, und parallel hierzu in einem zweiten Verfahrensschritt V2 gemäß einem zweiten Prinzip durch abwechselndes Schalten von Schaltern elektrische Energie kapazitiv zwischen Gruppen dieser Energiespeicher gleicher Anzahl übertragen wird. Die bei der Durchführung des Verfahrensschritts V2 verwendeten Schalter werden gleichzeitig auch in Verfahrensschritt V1 zur Durchführung des ersten Prinzips mitverwendet.
Die 7 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf von Steuersignalen, die zur Ansteuerung der Schalter der in den 1 bis 5 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen verwendet werden können. Auf den x-Achsen ist hierbei die Zeit t in einer mit einer Zeiteinheit normierten, dimensionslosen Größe aufgetragen. Auf der y-Achse sind die Steuersignale in einer mit einer Spannungseinheit normierten, dimensionslosen Größe aufgetragen. Das erste Steuersignal 73 und das zweite Steuersignal 74 kann ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal sein, das einer Abfolge von rechteckförmigen Pulsen 75 entspricht, wobei die Pulse eines Signals zueinander einen Abstand 76 aufweisen und eine Breite 77, eine Höhe 78 und ein Verhältnis zwischen Breite zu Abstand sowie eine Frequenz (Anzahl der Pulse je Zeiteinheit) aufweisen. Die Pulse des ersten Steuersignals 73 und die Pulse des zweiten Steuersignals 74 sind hierbei zeitlich derart zueinander verschoben, dass die Pulse 75 mit relativem Abstand 79 zwischen zwei aufeinander folgende Pulse des anderen Steuersignals fallen. Bei einem gesteuerten Betrieb kann beispielsweise die Höhe 78 und/oder die Breite 77 und/oder das Verhältnis Breite 77 zu Abstand 76 der Pulse 75 der Steuersignale 73, 74 in einer Anfangsphase des Ausgleichs der Ladespannungen größer gewählt sein, als in einer nachfolgenden Phase, da zu Beginn größere Differenzen in den Ladespannungen bestehen können, die schnell ausgeglichen werden sollen. Bei einem geregelten Betrieb kann beispielsweise in Abhängigkeit einer detektierten Abweichung der Ladespannungen der auszugleichenden Energiespeicher voneinander die Höhe 78 und/oder Breite 77 und/oder das Verhältnis Breite 77 zu Abstand 76 und/oder die Frequenz der Steuersignale 73, 74 geregelt werden.
Bezugszeichenliste

1, 16, 29, 40: Schaltungsanordnung
2, 17, 30, 41: Reihenschaltung
3: Steuereinrichtung
4, 18, 37, 49: Symmetrier-Einrichtung
5, 6, 19, 20, 33, 34, 35, 36: Grundschaltung
7, 10, 11, 12, 21, 22, 23, 38, 39, 52, 53: Elektrische Verbindung
8: Elektrische Quer-Verbindung
9: Erster Verbindungspunkt
13: Steuerleitung
24: Anschluss
25: Pluspol
26: Minuspol
28, 31, 32, 42, 43, 44: Untermenge
46, 48: Hälfte
50, 51: Magnetische Kopplung
54: Induktivität
55: Widerstand
56: Detektions-Mittel
57: Datenverbindung
60: Wechselrichter
61: Batterievorrichtung
62, 70: DC/DC-Steller
63: DC-Generator
64: DC-Zwischenkreis
65: DC/AC-Umrichter
67,68: Leistungspfad
67a, 67b,68a, 68b: Eingang
71: Batteriezelle
72: Batteriemanagement-System
73, 74: Steuersignal
75: Puls
76: Abstand
77: Breite
78: Höhe
79: Relativer Abstand
C5, C10, C11, C12, C13, C14: Kapazität
L1, L2, L3, L4: Induktivität
T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8: Schalter
C1, C2, C3, C4, C6, C7, C8, C9: Energiespeicher
V1, V2: Verfahrensschritt

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

EP 1107438 A [0005]

Claims

Verfahren zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern einer Reihenschaltung von Energiespeichern, wobei gemäß einem ersten Prinzip elektrische Energie durch abwechselndes Schalten von Schaltern paarweise und mit Zwischenspeicherung in jeweils einer Induktivität zwischen Energiespeichern der Reihenschaltung übertragen wird (V1), und gemäß einem zweiten Prinzip durch abwechselndes Schalten von Schaltern elektrische Energie kapazitiv zwischen Gruppen dieser Energiespeicher gleicher Anzahl übertragen wird (V2), wobei für das zweite Prinzip Schalter des ersten Prinzips verwendet werden.
Schaltungsanordnung (1, 16, 29, 40) mit einer Reihenschaltung (2, 17, 30, 41) von Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9), einer Steuereinrichtung (3) und einer Symmetrier-Einrichtung (4, 18, 49) zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9) der Reihenschaltung (2, 17, 30, 41) , -wobei die Symmetrier-Einrichtung (4, 18, 49) zusammen mit der Reihenschaltung von Energiespeichern mindestens zwei Grundschaltungen (5, 6, 19, 20, 33, 34, 35, 36) ausbildet, -wobei die Grundschaltung (5) jeweils eine Reihenschaltung von genau zwei benachbarten Energiespeichern (C1, C2) der Reihenschaltung (2) von Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9) und eine Reihenschaltung von genau zwei von der Steuereinrichtung (3) ansteuerbaren Schaltern (T1, T2) umfasst, die parallel zu den beiden benachbarten Energiespeichern (C1, C2) geschaltet sind, wobei die Grundschaltung (5) eine elektrische Quer-Verbindung (8) mit einer Induktivität (L1) umfasst, die eine einen ersten Verbindungspunkt (9) aufweisende und die beiden ansteuerbaren Schaltern (T1, T2) direkt verbindende elektrischen Verbindung (10) mit einer die beiden Energiespeicher (C1, C2) direkt verbindenden elektrischen Verbindung (11) verbindet, -wobei die Symmetrier-Einrichtung (4) mindestens eine Kapazität (C5) umfasst, die derart angeordnet ist, dass ein erster Verbindungpunkt (9) einer Grundschaltung (5) über die Kapazität (C5) elektrisch mit einem ersten Verbindungpunkt (9) einer anderen Grundschaltung (6) verbunden ist, so dass in mindestens einem Schaltmodus der über die Kapazität (C5) verbundenen beiden Grundschaltungen (5, 6) ein Angleichen der Ladespannungen zwischen den von den beiden Grundschaltungen (5, 6) umfassten Energiespeichern (C1 bis C4) erfolgt.
Schaltungsanordnung (40) nach Anspruch 2, wobei die Reihenschaltung (41) von Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9) in aufeinander folgende disjunkte Untermengen (28, 42, 43, 44) unterteilt ist, wobei die Untermengen (28) jeweils mindestens zwei Energiespeicher (C1, C2) umfassen, wobei die Symmetrier-Einrichtung (49) mit der Reihenschaltung (41) von Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9) Grundschaltungen (5, 6, 19, 20) ausbildet, die derart angeordnet sind, dass innerhalb der Untermengen (28, 42, 43, 44) ein Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher (C1 bis C4, C6 bis C9) der Untermengen in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltungen (5, 6, 19, 20) induktiv erfolgt, wobei zur Angleichung der Ladespannungen aller Energiespeicher (C1 bis C4, C6 bis C9) der Reihenschaltung - die Symmetrier-Einrichtung (49) mindestens eine Kapazität (C5) umfasst, wobei die Kapazität (C5) derart angeordnet ist, dass ein erster Verbindungpunkt (9) einer Grundschaltung (5) einer Untermenge (28) über die Kapazität (C5) elektrisch mit einem ersten Verbindungpunkt (9) einer Grundschaltung (19) einer anderen Untermenge (43) verbunden ist, -oder die Symmetrier-Einrichtung (49) zusätzlich zu der derart angeordneten mindestens einen Kapazität (C5) mindestens eine magnetische Kopplung (50) umfasst, welche derart angeordnet ist, dass die magnetische Kopplung (50) eine Induktivität (L1) einer Grundschaltung (5) einer Untermenge (28) mit einer Induktivität (L2) einer Grundschaltung (6) einer weiteren Untermenge (42) koppelt.
Schaltungsanordnung (40) nach Anspruch 3, wobei die mindestens zwei Untermengen (28, 42, 43, 44) in zwei Hälften (46, 48) von entlang der Reihenschaltung (41) von Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9) aufeinander folgenden Untermengen (28, 42, 43, 44) unterteilt sind, wobei die Symmetrier-Einrichtung (49) mindestens eine elektrische Verbindung (52) mit einer Kapazität (C5) zur Umverteilung von Ladung zwischen den beiden Hälften (46, 48) umfasst, welche derart angeordnet ist, dass die elektrische Verbindung (52) einen ersten Verbindungpunkt (9) einer Grundschaltung (5) einer Untermenge (28) der einen Hälfte (46) über die Kapazität (C5) elektrisch mit einem ersten Verbindungpunkt (9) einer anderen Grundschaltung (19) einer Untermenge (43) der anderen Hälfte (48) verbindet.
Schaltungsanordnung (40) nach Anspruch 4, welche mehrere Untermengen (28, 42) in einer oder beider Hälften (46, 48) umfasst, wobei die Symmetrier-Einrichtung (49) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die mehreren Untermengen (28, 42) einer Hälfte (46) paarweise untereinander mit mindestens einer weiteren Untermenge (28, 42) der gleichen Hälfte verbunden sind, so dass ein Angleichen der Ladespannungen der Energiespeicher (C1 bis C4) der Hälfte (46) in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltungen (5, 6) der Hälfte (46) ermöglicht ist, wobei die Verbindung zwischen zwei Untermengen (28, 42) mindestens eine Kapazität oder mindestens eine magnetische Kopplung (50) umfasst, wobei im ersten Fall die Kapazität von einer elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Verbindungspunkt der einen der beiden Untermengen und einem ersten Verbindungspunkt der anderen der beiden Untermengen umfasst ist und im zweiten Fall die magnetische Kopplung (50) eine Induktivität (L1) einer Grundschaltung (5) der einen von beiden Untermengen (28) mit einer Induktivität (L2) einer Grundschaltung (6) der anderen der beiden Untermengen (42) koppelt.
Schaltungsanordnung (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei mindestens eine elektrische Verbindung (53) der Symmetrier-Einrichtung (49), welche einen ersten Verbindungspunkt (9) einer Grundschaltung 6) über eine Kapazität (C10) mit einem ersten Verbindungspunkt (9) einer anderen Grundschaltung (20) verbindet, eine Reihenschaltung umfasst, welche die Kapazität (C10) und zusätzlich eine Induktivität (54) und/oder einen Widerstand (55) umfasst.
Schaltungsanordnung (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Reihenschaltung (41) an Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9) mindestens eine Untermenge (28) mit genau zwei aufeinander folgenden Energiespeichern (C1, C2) umfasst, die beide von genau einer und derselben Grundschaltung (5) umfasst sind, so dass eine Anpassung der Ladespannungen zwischen den beiden Energiespeichern (C1, C2) der Untermenge (28) in mindestens einem Schaltmodus der Grundschaltung (5) erfolgt, wobei insbesondere die Reihenschaltung (41) an Energiespeichern (C1 bis C4, C6 bis C9) eine Anzahl von 4 ≤ 2n Energiespeichern umfasst, die in n Untermengen (28, 42, 43, 44) von je zwei direkt aufeinander folgende Energiespeicher (C1, C2) unterteilt sind, die beide von genau einer und derselben Grundschaltung (5) umfasst sind, so dass die Symmetrier-Einrichtung (49) in Bezug auf die Angleichung der Ladespannung der 2n Energiespeicher (C1 bis C4, C6 bis C9) genau n Grundschaltungen (5, 6, 19, 20) mit 2n Schaltern (T1 bis T8) und n Induktivitäten (L1 bis L4) umfasst.
Schaltungsanordnung (29) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Reihenschaltung (30) an Energiespeichern (C1 bis C4, C6, C7) mindestens eine Untermenge (31) mit genau drei aufeinander folgenden Energiespeichern (C1, C2, C3) umfasst, wobei die beiden äußeren der drei Energiespeicher (C1, C3) gemäß einer zweiten Ausgestaltung von, insbesondere beidseitig der Reihenschaltung (30) angeordneten, unterschiedlichen Grundschaltungen (33, 34), aber genau von einer und derselben Grundschaltung (33, 34) umfasst sind, wie der mittlere der drei Energiespeicher (C2), so dass eine Anpassung der Ladespannungen zwischen den drei Energiespeichern (C1, C2, C3) der Untermenge (31) in mindestens einem Schaltmodus der beiden Grundschaltungen (33, 34) induktiv erfolgt, wobei insbesondere die Reihenschaltung (30) sechs aufeinander folgende Energiespeichern (C1 bis C4, C6, C7) umfasst, die in zwei aufeinander folgende derartige Untermengen (31, 32) unterteilt sind, wobei die Symmetrier-Einrichtung (37) jeweils mit den beiden Untermengen (31, 32) Grundschaltungen (5, 6, 35, 36) gemäß der zweiten Ausgestaltung ausbildet und zwei, insbesondere jeweils eine beidseitig der Reihenschaltung (30) angeordnete, elektrische Verbindungen (38, 39) umfasst, welche einen ersten Verbindungspunkt (9) der einen Untermenge (31) über eine Kapazität (C13, C14) mit einem ersten Verbindungspunkt (9) der anderen Untermenge (32) verbindet.
Schaltungsanordnung (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die beiden Schalter (T1 bis T8) jeder Grundschaltung (5, 6, 19, 20) in einen oberen Schalter (T1, T3, T5, T7) und einen unteren Schalter (T2, T4, T6, T8) aufgeteilt sind, wobei der obere Schalter (T1) mit seinem vom ersten Verbindungspunkt (9) abgewandten Anschluss (24) mit einem Pluspol (25) eines von der Grundschaltung (5) umfassten Energiespeichers (C1) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (3) dazu ausgebildet ist, in einem ersten Schaltmodus die oberen Schalter (T1, T3, T5, T7) der Grundschaltungen (5, 6, 19, 20) mit einem ersten Steuersignal (73), insbesondere synchron, anzusteuern und die unteren Schalter (T2, T4, T6, T8) der Grundschaltungen (5, 6, 19, 20) mit einem zweiten Steuersignal (74), insbesondere synchron, anzusteuern, so dass in steter Abfolge zwischen einen Schaltzustand, in welchem die Schalter (T1 bis T8) der Grundschaltungen (5, 6, 19, 20) geöffnet sind, abwechselnd ein Schaltzustand mit geschlossenen oberen Schaltern (T1, T3, T5, T7) und ein Schaltzustand mit geschlossenen unteren Schaltern (T2, T4, T6, T8) tritt.
Schaltungsanordnung (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Schaltungsanordnung (40) Detektions-Mittel (56) zur Detektion der Ladespannung der einzelnen Energiespeicher (C1 bis C4, C6 bis C9) der Reihenschaltung (41) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, Messwerte der Detektions-Mittel (56) zu empfangen und in Abhängigkeit der Messwerte Steuersignale (73, 74) zum Ansteuern der Schalter (T1 bis T8) der Grundschaltungen (5, 6, 19, 20) anzupassen.
Wechselrichter (60) mit mindestens einem DC-Zwischenkreis (64) und einem DC/AC-Umrichter (65), wobei der DC-Zwischenkreis (64) eingangsseitig mit einer DC-Spannung versorgbar ist und der DC/AC-Umrichter (65) ausgangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz (66) verbindbar ist, wobei der DC-Zwischenkreis (64) -einen ersten Leistungspfad (67) umfasst, der einen ersten Eingang (67a) des DC-Zwischenkreises (64) mit einem ersten Eingang (67b) des DC/AC-Umrichters (65) verbindet, -und einen zweiten Leistungspfad (68) umfasst, der einen zweiten Eingang (68a) des DC-Zwischenkreises (64) mit einem zweiten Eingang (68b) des DC/AC-Umrichters (65) verbindet, -und eine Reihenschaltung (2) von Energiespeichern (C1 bis C4) umfasst, die die beiden Leistungspfade (67, 68) verbindet, -sowie eine Schaltungsanordnung (1) zum Angleichen von Ladespannungen zwischen Energiespeichern (C1 bis C4) der Reihenschaltung (2) aufweist, wobei die Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10 ausgebildet ist.
Batterievorrichtung (61) mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (71), die jeweils eine Ladespannung in einem Ladezustand aufweisen, und einem Batteriemanagement-System (72), wobei das Batteriemanagement-System (72) zum Angleichen von Ladespannungen von Batteriezellen (71) zusammen mit der Reihenschaltung von Batteriezellen (71) mindestens eine Schaltungsanordnung (16) nach einem der Ansprüche 2 bis 10 ausbildet.