-
Die Erfindung betrifft eine Umladevorrichtung für eine Batterie sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Umladevorrichtung. Weiter betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Umladevorrichtung.
-
Die
US 10,446,880 B2 offenbart eine Vorrichtung zur Balancierung eines Batteriestapels mit zwei oder mehr Batteriemodulen unter Nutzung eines Resonanzkreises.
-
Die
DE 10 2010 029 015 A1 offenbart eine Schaltung für eine Batterie, welche bei reduziertem Schaltungsaufwand induktives Cell-Balancing ermöglicht.
-
Die
US 10,396,569 B2 offenbart ein System zur Batteriezellen-Balancierung unter Nutzung einer LC-Resonanz.
-
Die nachveröffentlichte
DE 10 2018 221 099.3 offenbart eine Umladevorrichtung für eine Batterie, wobei ein Umladezweig eine Reihenschaltung von mindestens einem kapazitiven Element und mindestens einem induktiven Element umfasst.
-
Es ist wünschenswert, eine Komplexität sowie Kosten zur Herstellung der Umladevorrichtung zu minimieren.
-
Es stellt sich daher das technische Problem, eine Umladevorrichtung für eine Batterie, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Umladevorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Umladevorrichtung zu schaffen, bei der eine Komplexität, insbesondere eine Anzahl von benötigten Bauteilen sowie deren Verbindungen, sowie Kosten zur Herstellung minimiert sind.
-
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Vorgeschlagen wird eine Umladevorrichtung für eine Batterie, wobei die Batterie eine Reihenschaltung von mindestens zwei Batteriezellen umfasst. Vorzugsweise umfasst die Batterie eine Reihenschaltung von mehr als zwei Batteriezellen, insbesondere drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder neun oder mehr als neun Batteriezellen. Die Reihenschaltung kann hierbei eine ungerade Anzahl von Batteriezellen oder eine gerade Anzahl von Batteriezellen umfassen.
-
Die Batterie kann insbesondere eine Fahrzeugbatterie oder einen Teil einer Fahrzeugbatterie ausbilden. Die Fahrzeugbatterie kann insbesondere eine Traktionsbatterie sein, die zur Bereitstellung von Energie für den Betrieb einer elektrischen Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs dient.
-
Ein Pluspol jeder ungeraden Batteriezelle und ein Minuspol jeder geraden Batteriezelle der Reihenschaltung aller Batteriezellen oder einer ersten Teilmenge dieser Batteriezellen ist über ein Schaltelement mit einer ersten Verbindungsleitung verbindbar. Eine erste Teilmenge kann hierbei mehrere, aber nicht alle Batteriezellen der Batterie umfassen, wobei die Batteriezellen der ersten Teilmenge jedoch in Reihe geschaltete Batteriezellen sind.
-
Eine ungerade Batteriezelle bezeichnet hierbei eine Batteriezelle mit ungerader Ordnungszahl, wobei die Ordnungszahl die Platzierung der Batteriezelle in der Reihenfolge der in Reihe geschalteten Batteriezellen bezeichnet. Mit anderen Worten dient die Ordnungszahl zur Kennzeichnung der Stelle, an der sich die Batteriezelle innerhalb der Reihe von in Reihe geschalteten Batteriezellen befindet. Eine ungerade Batteriezelle ist z.B. also die erste Batteriezelle der Reihenschaltung, die dritte Batteriezelle der Reihenschaltung, die fünfte Batteriezelle der Reihenschaltung usw. Entsprechend bezeichnet eine gerade Batteriezelle eine Batteriezelle mit einer geraden Ordnungszahl. Eine gerade Batteriezelle ist z.B. die zweite Batteriezelle der Reihenschaltung, die vierte Batteriezelle der Reihenschaltung, die sechste Batteriezelle der Reihenschaltung usw.
-
Es ist möglich, dass jeder Pluspol jeder ungeraden Batteriezelle und jeder Minuspol jeder geraden Batteriezelle über jeweils ein Schaltelement mit der ersten Verbindungsleitung verbindbar sind, wobei die Schaltelemente separat voneinander ausgebildet sind. Ist jedoch ein Minuspol einer geraden Batteriezelle mit einem Pluspol einer ungeraden Batteriezelle verbunden, so können diese Pole über ein gemeinsames Schaltelement mit der ersten Verbindungsleitung verbindbar sein.
-
Weiter ist ein Pluspol jeder geraden Batteriezelle und ein Minuspol jeder ungeraden Batteriezelle der Reihenschaltung aller Batteriezellen oder der ersten Teilmenge dieser Batteriezellen über ein Schaltelement mit einer weiteren Verbindungsleitung, also einer zweiten Verbindungsleitung, verbindbar.
-
Es ist möglich, dass alle Pluspole jeder geraden Batteriezelle und alle Minuspole jeder ungeraden Batteriezelle über separat voneinander ausgebildete Schaltelemente mit der weiteren Verbindungsleitung verbindbar sind. Ist jedoch ein Minuspol einer ungeraden Batteriezelle mit einem Pluspol einer geraden Batteriezelle verbunden, so können diese Pole über ein gemeinsames Schaltelement mit der weiteren Verbindungsleitung verbindbar sein.
-
Die Anzahl der Schaltelemente kann hierbei also um Eins größer sein als die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen.
-
Im Sinne dieser Erfindung bedeutet „verbunden“, dass die miteinander verbundenen Elemente elektrisch verbunden, insbesondere unmittelbar verbunden, sein können. Eine unmittelbare Verbindung kann eine Verbindung über ein elektrisches Verbindungselement, z.B. eine Leitung, jedoch nicht über ein elektrisches oder elektronisches Bauelement bezeichnen.
-
Die Umladevorrichtung umfasst hierbei die erläuterten Schaltelemente zur Verbindung der Pole der Batteriezellen mit den entsprechenden Verbindungsleitungen.
-
Weiter umfasst die Vorrichtung die erläuterten Verbindungsleitungen.
-
Weiter umfasst die Umladevorrichtung mindestens einen ersten Umladezweig, der auch als erster Umladeabschnitt bezeichnet werden kann. Hierbei ist ein erster Anschluss des Umladezweigs mit der ersten Verbindungsleitung, insbesondere über genau oder mindestens ein Schaltelement, verbindbar oder verbunden. Auch kann der Anschluss dauerhaft mit der ersten Verbindungsleitung verbunden sein. Weiter ist ein weiterer Anschluss des Umladezweigs mit der weiteren Verbindungsleitung verbindbar, insbesondere über genau ein oder mindestens ein weiteres Schaltelement, oder verbunden, insbesondere dauerhaft verbunden.
-
Die erste und die weitere Verbindungsleitung, die auch als zweite Verbindungsleitung bezeichnet werden kann, sind hierbei als voneinander verschiedene Verbindungsleitungen ausgebildet.
-
Der erste und der weitere Anschluss des Umladezweigs sind voneinander verschiedene Anschlüsse des Umladezweigs. Der Umladezweig kann somit eine Gesamtheit bzw. eine Gesamtschaltung von elektrischen oder elektronischen Bauelementen umfassen, die zwischen dem ersten und dem weiteren Anschluss des Umladezweigs angeordnet ist.
-
Es ist möglich, dass der erste Anschluss sowohl mit der ersten Verbindungsleitung als auch mit der weiteren Verbindungsleitung verbindbar ist, insbesondere mittels eines Schaltelements, z.B. mittels eines Wechselschaltelements. Allerdings kann der erste Anschluss nicht gleichzeitig sowohl mit der ersten als auch der weiteren Verbindungsleitung verbunden werden. Mit anderen Worten kann ein mit der ersten und weiteren Verbindungsleitung verbindbarer erster Anschluss in einem ersten Zustand mit der ersten Verbindungsleitung, nicht aber mit der weiteren Verbindungsleitung, und in einem weiteren Zustand mit der weiteren Verbindungsleitung, nicht aber mit der ersten Verbindungsleitung, verbunden sein. Wie nachfolgend noch näher erläutert ist es aber insbesondere auch möglich, dass der erste Anschluss mit der ersten Verbindungsleitung aber nicht mit der weiteren Verbindungsleitung verbindbar oder verbunden ist. Mit anderen Worten kann dies bedeuten, dass die Umladevorrichtung derart konfiguriert ist, dass keine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und der weiteren Verbindungsleitung herstellbar ist.
-
Entsprechend ist es möglich, dass der weitere Anschluss sowohl mit der ersten Verbindungsleitung als auch mit der weiteren Verbindungsleitung verbindbar ist, insbesondere mittels eines Schaltelements, z.B. mittels eines Wechselschaltelements. Allerdings kann der weitere Anschluss nicht gleichzeitig sowohl mit der ersten als auch der weiteren Verbindungsleitung verbunden werden. Mit anderen Worten kann ein mit der ersten und weiteren Verbindungsleitung verbindbarer weiterer Anschluss in einem ersten Zustand mit der ersten Verbindungsleitung, nicht aber mit der weiteren Verbindungsleitung, und in einem weiteren Zustand mit der weiteren Verbindungsleitung, nicht aber mit der ersten Verbindungsleitung, verbunden sein. Wie nachfolgend noch näher erläutert ist es aber insbesondere auch möglich, dass der weitere Anschluss mit der weiteren Verbindungsleitung aber nicht mit der ersten Verbindungsleitung verbindbar oder verbunden ist. Mit anderen Worten kann dies bedeuten, dass die Umladevorrichtung derart konfiguriert ist, dass keine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und der weiteren Verbindungsleitung herstellbar ist.
-
Alternativ ist möglich, dass die erste Verbindungsleitung mit dem ersten Anschluss als auch mit dem weiteren Anschluss verbindbar ist, insbesondere mittels eines Schaltelements, z.B. mittels eines Wechselschaltelements. Allerdings kann die erste Verbindungsleitung nicht gleichzeitig sowohl mit dem ersten als auch dem weiteren Anschluss verbunden werden. Mit anderen Worten kann die mit dem ersten und weiteren Anschluss verbindbare erste Verbindungsleitung in einem ersten Zustand mit dem ersten Anschluss, nicht aber mit dem weiteren Anschluss, und in einem weiteren Zustand mit dem weiteren Anschluss, nicht aber mit dem ersten Anschluss, verbunden sein.
-
Entsprechend ist es möglich, dass die weitere Verbindungsleitung mit dem ersten Anschluss als auch mit dem weiteren Anschluss verbindbar ist, insbesondere mittels eines Schaltelements, z.B. mittels eines Wechselschaltelements. Allerdings kann die weitere Verbindungsleitung nicht gleichzeitig sowohl mit dem ersten als auch dem weiteren Anschluss verbunden werden. Mit anderen Worten kann die mit dem ersten und weiteren Anschluss verbindbare weitere Verbindungsleitung in einem ersten Zustand mit dem ersten Anschluss, nicht aber mit dem weiteren Anschluss, und in einem weiteren Zustand mit dem weiteren Anschluss, nicht aber mit dem ersten Anschluss, verbunden sein.
-
Weiter umfasst die Umladevorrichtung mindestens einen ersten Umladezweig mit mindestens einem kapazitiven Element. Vorzugsweise umfasst der Umladezweig eine Reihenschaltung von mindestens einem kapazitiven Element und mindestens einem induktiven Element. Dass der Umladezweig ein Bauelement umfasst, kann bedeuten, dass der Umladezweig neben diesem Bauteil auch weitere elektrische oder elektronische Bauelemente umfasst. Ein kapazitives Element kann hierbei insbesondere als Kondensator ausgebildet sein. Ein induktives Element kann insbesondere als Spule ausgebildet sein. Durch die Reihenschaltung von mindestens einem kapazitiven und mindestens einem induktiven Element wird ein Schwingkreis gebildet.
-
Das kapazitive Element des Umladezweigs kann auch als Umladekondensator bezeichnet werden. Dieses kapazitive Element dient als Zwischenspeicher für elektrische Energie/Ladung während des Ladungsausgleichs. Ein Vorgang für den Ladungsausgleich zwischen verschiedenen Batteriezellen kann hierbei einen Entladevorgang und einen Ladevorgang umfassen.
-
So ist es z.B. möglich, in einem Entladevorgang Ladung aus einer oder aus mehreren Batteriezelle(n) in das kapazitive Element zu transportieren, insbesondere über einen entsprechenden Stromfluss. Nach Beendigung dieses Transports kann dann elektrische Energie/Ladung in einem Ladevorgang aus dem kapazitiven Element des Umladezweigs in eine oder mehrere Batteriezelle(n) transportiert werden, insbesondere ebenfalls über einen entsprechenden Stromfluss. Hierbei ist eine Batteriezelle, aus der elektrische Energie im Entladevorgang in das kapazitive Element des Umladezweigs transportiert wird, vorzugsweise nicht Teil der Batteriezellen, in die im Ladevorgang elektrische Energie/Ladung aus dem kapazitiven Element des Umladezweigs transportiert wird. Vorzugsweise sind alle Batteriezellen, aus denen elektrische Energie/Ladung im Entladevorgang in das kapazitive Element des Umladezweigs transportiert wird, von den Batteriezellen, in die im Ladevorgang elektrische Energie/Ladung aus dem kapazitiven Element des Umladezweigs transportiert wird, verschieden.
-
Durch das Vorhandensein des induktiven Elements im Umladezweig ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass keine unerwünscht hohen Ströme während des Entladevorgangs oder des Ladevorgangs auftreten können. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Betriebsfähigkeit der Umladevorrichtung in verbesserter Weise gewährleistet.
-
Die Umladevorrichtung kann selbstverständlich mindestens eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Schaltelemente, insbesondere zur Einstellung von Schaltzeitpunkten der Schaltelemente, umfassen. Diese Steuereinrichtung kann als Recheneinrichtung ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Eine Recheneinrichtung kann insbesondere als Mikrocontroller oder als integrierte Schaltung, beispielsweise als FPGA, ausgebildet sein.
-
Weiter kann die Umladevorrichtung eine Auswerteeinrichtung umfassen. Die Auswerteeinrichtung und die erläuterte Steuereinrichtung können als gemeinsame Einrichtung ausgebildet sein. Auch die Auswerteeinrichtung kann als Recheneinrichtung ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Mittels der Auswerteeinrichtung können nachfolgend noch näher erläuterte Größen ausgewertet werden.
-
Weiter wird ein Schaltelement zur Verbindung eines Pols einer Batteriezelle mit der ersten oder der weiteren Verbindungsleitung durch mindestens zwei antiseriell geschaltete Transistorschalter gebildet. Hierbei ist ein erster Transistorschalter mit dem Pol der Batteriezelle und über einen Verbindungsabschnitt mit dem weiteren Transistorschalter verbunden. Der weitere Transistorschalter ist dann mit einer Verbindungsleitung verbunden.
-
Ein Transistorschalter wird vorzugsweise durch einen MOSFET gebildet, wobei ein MOSFET eine intrinsische Diode umfassen kann, die elektrisch parallel zum Leitungspfad zwischen Drain und Source des MOSFET angeordnet ist.
-
Alternativ kann der Transistorschalter auch einen IGBT umfassen. Umfasst ein Transistorschalter einen IGBT, so kann der Transistorschalter eine vom IGBT separat ausgebildete Freilaufdiode umfassen, die elektrisch parallel zum Leitungspfad zwischen Emitter und Kollektor des IGBT geschaltet ist.
-
Vorzugsweise können selbstsperrende MOSFETs oder IBGTs als Transistorschalter verwendet werden, weiter insbesondere sogenannte n-Kanal-MOSFETs/-IGBTsoder p-Kanal-MOSFETs/- IGBTs. Alternativ können aber auch selbstleitende MOSFETs/IGBTsverwendet werden, die auch in diesem Fall als n-Kanal-MOSFETs/-IGBTs oder p-Kanal-MOSFETs/-IGBTs ausgebildet sein können.
-
Antiseriell kann hierbei bedeuten, dass die Durchlassrichtungen der Freilaufdioden der beiden Transistorschalter entgegengesetzt zueinander orientiert sind. Beispielsweise können die Transistorschalter derart miteinander in Reihe geschaltet sein, dass die Durchlassrichtung eines ersten Transistorschalters von der Verbindungsleitung hin zum Pol und die Durchlassrichtung eines weiteren Transistorschalters vom Pol hin zur Verbindungsleitung orientiert ist. Alternativ können die Transistorschalter auch derart miteinander in Reihe geschaltet sein, dass die Durchlassrichtung des ersten Transistorschalters vom Pol hin zur Verbindungsleitung und die Durchlassrichtung des weiteren Transistorschalters von der Verbindungsleitung hin zum Pol orientiert ist.
-
Im Fall, dass die Transistorschalter des Schaltelements durch MOSFET gebildet sind, kann das Schaltelement z.B. einen ersten MOSFET umfassen, dessen Drain-Anschluss mit dem Pol einer Batteriezelle verbunden ist. Der Source-Anschluss dieses ersten MOSFET kann mit einem Source-Anschluss eines weiteren MOSFET des Schaltelements verbunden sein. Der Drain-Anschluss dieses weiteren MOSFETs kann dann mit der Verbindungsleitung verbunden sein. Eine Durchlassrichtung der im MOSFET gebildeten intrinsischen Diode kann vom Source hin zum Drain orientiert sein.
-
Weiter umfasst die Umladevorrichtung für jedes Schaltelement eine Treiberschaltung mit einem Treiberspannungsanschluss. Dieser Treiberspannungsanschluss dient zur Bereitstellung der Gate-Spannung für jeden Transistorschalter.
-
Erfindungsgemäß ist ein Gate-Anschluss jedes Transistorschalters eines Schaltelements jeweils mit dem Treiberspannungsanschluss der Treiberschaltung des Schaltelements verbunden. Mit anderen Worten sind die Gate-Anschlüsse aller Transistorschalter eines Schaltelements mit dem gleichen Treiberspannungsanschluss verbunden. Somit werden alle Gate-Anschlüsse mit der gleichen Spannung beaufschlagt, wodurch alle Transistorschalter eines Schaltelements gleichzeitig eingeschaltet (also leitend geschaltet) oder ausgeschaltet (also sperrend geschaltet) werden können.
-
Weiter kann ein Referenzspannungsanschluss der Treiberschaltung mit dem Verbindungsabschnitt der beiden Transistorschalter verbunden sein.
-
Die Treiberschaltung kann hierbei Teil der Umladevorrichtung sein.
-
Weiter kann die bereits erläuterte Steuereinrichtung die Steuersignale zur Steuerung des Betriebs der Treiberschaltung erzeugen, insbesondere ein Steuersignal zur Erzeugung einer gewünschten Gate-Spannung durch die Treiberschaltung.
-
Durch die Ausbildung eines Schaltelements durch mindestens zwei antiseriell geschaltete Transistorschalter ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein derart gebildetes Schaltelement in beide Richtungen, also von einem Pol einer Batteriezelle hin zur Verbindungsleitung als auch von der Verbindungsleitung hin zum Pol Strom führen als auch in beiden der genannten Richtungen Spannungen sperren kann, wodurch sich eine hohe Betriebssicherheit der Umladevorrichtung ergibt.
-
Aufgrund der Verbindung des Gate-Anschlusses jedes Transistorschalters mit dem Treiberspannungsanschluss der Treiberschaltung ergibt sich in weiter vorteilhafter Weise, dass nicht für jeden Transistorschalter eine separate Treiberschaltung in die Umladevorrichtung integriert und deren Treiberspannungsanschluss dann mit dem jeweiligen Gate-Anschluss verbunden werden muss. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Reduktion der Komplexität, insbesondere bezüglich der zu verbauenden Bauteile und deren signaltechnischer Verbindung, sowie der Kosten zur Herstellung der Umladevorrichtung. Ebenfalls erhöht sich der Wirkungsgrad der Umladevorrichtung, da nur eine Treiberschaltung zum Betrieb von zwei Transistorschaltern genutzt wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Versorgungsspannungsanschluss der Treiberschaltung eines Schaltelements, welches mit einem Minuspol einer Batteriezelle verbunden ist, elektrisch mit einem Pluspol der Batteriezelle verbunden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine schaltungstechnisch einfach herstellbare Spannungsversorgung der Treiberschaltung, die es zusätzlich ermöglicht, elektrische Verluste beim Betrieb der Treiberschaltung zu minimieren und somit ebenfalls den Wirkungsgrad der Umladevorrichtung zu erhöhen. Weiter kann hierdurch in vorteilhafter Weise das Risiko der Erzeugung einer Überspannung zwischen Gate- und Source-Anschlüssen eines Transistorschalters des Schaltelements verringert werden. Weiter ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Treiberschaltung aus einer Quelle mit möglichst geringem Potential versorgt wird, wodurch in vorteilhafter Weise elektrische Verluste minimiert und der Wirkungsgrad der Umladevorrichtung erhöht wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird die Spannung am Treiberspannungsanschluss mittels eines Pegelwandlers bereitgestellt. Hierbei kann die Treiberschaltung als Pegelwandler ausgebildet sein oder einen solchen Pegelwandler umfassen. Durch den Pegelwandler kann beispielsweise ein Pegel am Versorgungsspannungsanschluss der Treiberschaltung in einen gewünschten Pegel gewandelt werden. Als Pegelwandler kann hierbei eine diskrete oder integrierte elektronische Schaltung bezeichnet werden, welche Signalpegel, insbesondere Spannungspegel, an gewünschte Pegelbereiche anpasst. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Betriebssicherheit der Umladevorrichtung erhöht werden, da sichergestellt werden kann, dass die Gate-Spannung eines Transistorschalters einen maximal zulässigen Wert nicht überschreitet. Der Pegelwandler kann insbesondere ein unidirektionaler Pegelwandler sein. Die Ausbildung eines Pegelwandlers ist dem Fachmann hierbei bekannt.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Umladevorrichtung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Treiberschaltungen. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert.
-
Weiter ist ein Versorgungsspannungsanschluss der Steuereinrichtung mit einem Minuspol der letzten Batteriezelle der Reihenschaltung aller Batteriezellen oder der vorhergehend erläuterten ersten Teilmenge von Batteriezellen verbunden. Der Minuspol der letzten Batteriezelle weist hierbei das geringste Potential aller Pole der Reihenschaltung bzw. der ersten Teilmenge auf. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine weitere Verringerung der Komplexität der Umladevorrichtung, insbesondere da eine schaltungstechnisch einfach herstellbare Energieversorgung der Steuereinrichtung ermöglicht wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist der Pluspol der ersten Batteriezelle der Reihenschaltung aller Batteriezellen oder der ersten Teilmenge über eine erste Schutzleitung mit der ersten Verbindungsleitung und über eine zweite Schutzleitung mit der weiteren Verbindungsleitung verbunden, wobei in jeder Schutzleitung mindestens eine Diode angeordnet ist. Der Pluspol der ersten Batteriezelle weist hierbei das höchste Potential der Reihenschaltung bzw. der ersten Teilmenge auf.
-
Eine Leitungsrichtung der mindestens einen Diode, die entgegengesetzt zur Sperrrichtung der Diode ist, ist hierbei von der entsprechenden Verbindungsleitung hin zum Pluspol gerichtet.
-
Somit ist die erste Schutzleitung elektrisch parallel zu dem Schaltelement angeordnet, welches den Pluspol der ersten Batteriezelle mit der ersten Verbindungsleitung verbindet.
-
Hierdurch können in vorteilhafter Weise Überspannungen an den Transistorschaltern vermieden werden, wodurch sich eine Betriebssicherheit der Umladevorrichtung erhöht.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist der Minuspol der letzten Batteriezelle der Reihenschaltung aller Batteriezellen oder der ersten Teilmenge über eine dritte Schutzleitung mit der ersten Verbindungsleitung und über eine vierte Schutzleitung mit der weiteren Verbindungsleitung verbunden, wobei in jeder Schutzleitung mindestens eine Diode angeordnet ist. Die Leitungsrichtung dieser Dioden kann hierbei vom Minuspol hin zur entsprechenden Verbindungsleitung gerichtet sein. Somit kann die dritte Schutzleitung parallel zum Schaltelement, welches den Minuspol der letzten Batteriezelle mit der ersten Verbindungsleitung verbindet, angeordnet sein.
-
Auch hierdurch erhöht sich in vorteilhafter Weise die Betriebssicherheit der Umladevorrichtung.
-
Insbesondere kann das resistive Element als separates Element ausgebildet sein, beispielsweise als Widerstandselement. Weiter insbesondere ist das resistive Element von einem Leitungswiderstand des Umladezweigs, insbesondere einem parasitären Widerstand, verschieden.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Umladezweig eine Reihenschaltung von mindestens einem kapazitiven Element, mindestens einem induktiven Element und mindestens einem resistiven Element. Das resistive Element kann insbesondere als Widerstand ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Umladezweig kein resistives Element umfasst oder enthält. Vorzugsweise wird der Umladezweig durch die erläuterte Reihenschaltung gebildet.
-
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass Schwingungseigenschaften des durch den Umladezweig gebildeten Schwingkreises angepasst werden können. Insbesondere ermöglicht das Vorsehen eines Widerstands das Einstellen einer Dämpfung eines solchen Schwingkreises und somit von gewünschten elektrischen Eigenschaften des Schwingkreises und somit der Umladevorrichtung.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Umladevorrichtung mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Bestimmung einer Spannung über dem kapazitiven Element eines Umladezweigs sowie mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Bestimmung einer Spannung über dem induktiven Element eines Umladezweigs.
-
Das Mittel zur Erfassung kann insbesondere als Spannungssensor ausgebildet sein. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf Spannungssensoren zur Erfassung oder Bestimmung der Spannung beschränkt. Alternativ oder kumulativ können weitere dem Fachmann bekannte Mittel zur Erfassung oder Bestimmung einer solchen Spannung eingesetzt werden. Die Mittel zur Erfassung oder Bestimmung können hierbei daten- und/oder signaltechnisch mit der vorhergehend erläuterten Auswerteeinrichtung verbunden sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine verbesserte Steuerung von Schaltelementen der Umladevorrichtung ermöglicht wird, nämlich eine Steuerung in Abhängigkeit der erfassten oder bestimmten Spannung. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Umladevorrichtung einen weiteren Umladezweig. Der weitere Umladezweig umfasst eine Reihenschaltung von mindestens einem kapazitiven Element und mindestens einem induktiven Element. Es ist auch möglich, dass der weitere Umladezweig eine Reihenschaltung von dem mindestens einen kapazitiven Element, dem mindesten einen induktiven Element und mindestens einem resistiven Element umfasst. Vorzugsweise wird der weitere Umladezweig durch eine der angeführten Reihenschaltungen gebildet. Mit anderen Worten ist der weitere Umladezweig entsprechend dem vorhergehend erläuterten Umladezweig ausgebildet.
-
Weiter ist ein erster Anschluss des weiteren Umladezweigs mit einer dritten Verbindungsleitung verbindbar, insbesondere über ein Schaltelement, oder verbunden, insbesondere dauerhaft verbunden. Weiter ist ein weiterer Anschluss des weiteren Umladezweigs mit einer vierten Verbindungsleitung verbindbar, insbesondere über ein Schaltelement, oder verbunden, insbesondere dauerhaft verbunden.
-
Die dritte und die vierte Verbindungsleitung sind als voneinander verschiedene Verbindungsleitungen ausgebildet. Weiter sind diese Verbindungsleitungen auch von der ersten und der vorhergehend erläuterten zweiten Verbindungsleitung verschieden. Wie bereits bezüglich der ersten und der zweiten Verbindungsleitung erläutert, kann es möglich sein, dass der erste Anschluss des weiteren Umladezweigs nicht mit der vierten Verbindungsleitung verbindbar ist. Ebenfalls kann der weitere Anschluss des weiteren Umladezweigs nicht mit der dritten Verbindungsleitung verbindbar sein. Auch können diese Anschlüsse nicht mit der ersten und der zweiten Verbindungsleitung verbindbar sein.
-
Weiter ist ein Pluspol jeder ungeraden Batteriezelle und ein Minuspol jeder geraden Batteriezelle aller Batteriezellen oder einer weiteren Teilmenge dieser Batteriezellen über ein Schaltelement mit der dritten Verbindungsleitung verbindbar. Die weitere Teilmenge von Batteriezellen umfasst mehrere, in Reihe geschaltete Batteriezellen der Batterie. Hierbei umfasst die weitere Teilmenge von Batteriezellen jedoch mindestens eine Batteriezelle, die nicht Teil der vorhergehend erläuterten ersten Teilmenge von Batteriezellen ist.
-
Alternativ ist es möglich, dass ein Pluspol jeder ungeraden Batteriezelle und ein Minuspol jeder geraden Batteriezelle einer weiteren Batterie über ein Schaltelement mit der dritten Verbindungsleitung verbindbar ist.
-
Weiter ist ein Pluspol jeder geraden Batteriezelle und ein Minuspol jeder ungeraden Batteriezelle aller Batteriezellen oder der weiteren Teilmenge dieser Batteriezellen über ein Schaltelement mit der vierten Verbindungsleitung verbindbar.
-
Alternativ ist es möglich, dass ein Pluspol jeder geraden Batteriezelle und ein Minuspol jeder ungeraden Batteriezelle der weiteren Batterie über ein Schaltelement mit der vierten Verbindungsleitung verbindbar ist.
-
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Ladungsausgleich über mehrere kapazitive Elemente erfolgen kann. Hierdurch erhöht sich wiederum in vorteilhafter Weise eine Flexibilität der Umladung sowie die Möglichkeit, Schaltelemente mit einer geringeren maximalen Spannungsfestigkeit zu verwenden. Hierdurch können wiederum Kosten bei der Herstellung der Umladevorrichtung gespart werden. Weiter ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch eine Umladung zwischen Batteriezellen verschiedener Batterien erfolgen kann.
-
Es ist weiter möglich, dass die erste Verbindungsleitung über ein erstes Wechselschaltelement mit dem ersten Anschluss als auch mit dem weiteren Anschluss und die weitere Verbindungsleitung über ein weiteres Wechselschaltelement mit dem ersten Anschluss als auch mit dem weiteren Anschluss verbindbar ist. Es ist weiter möglich, dass die induktiven Verbindungselemente die gleiche Induktivität aufweisen und/oder dass ein Wechselschaltelement als Reihenschaltung von zwei Transistorschaltern ausgebildet ist oder eine solche Reihenschaltung umfasst und/oder dass die Wechselschaltelemente jeweils als Halbzweige einer Brückenschaltung ausgebildet sind oder diese Halbzweige umfassen und/oder dass das kapazitive Element des Umladezweigs als polarisierter Kondensator ausgebildet ist oder einen solchen umfasst.
-
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb einer Umladevorrichtung gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei kann ein Entladezustand eingestellt werden, wobei in dem Entladezustand ein erster Teilabschnitt der Reihenschaltung aller Batteriezellen mit dem Umladezweig verbunden wird. In diesem Entladezustand kann elektrische Energie/Ladung von der/den Batteriezelle(n) in das mindestens eine kapazitive Element des Umladezweigs transportiert werden. Dies kann auch als Entladevorgang bezeichnet werden. Der Entladezustand kann beispielsweise durch Ansteuerung von den Transistorschaltern der entsprechenden Schaltelemente eingestellt werden. In dem Entladezustand kann insbesondere mindestens eine Batteriezelle des ersten Teilabschnitts entladen werden.
-
Der erste Teilabschnitt der Reihenschaltung aller Batteriezellen umfasst mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere in Reihe geschaltete, Batteriezelle(n) der Reihenschaltung aller Batteriezellen, weiter vorzugsweise jedoch nicht alle Batteriezellen der Reihenschaltung. Es ist aber auch möglich, dass der erste Teilabschnitt genau eine Batteriezelle umfasst.
-
In einem Ladezustand wird ein weiterer Teilabschnitt der Reihenschaltung aller Batteriezellen mit dem Umladezweig verbunden. Der weitere Teilabschnitt von Batteriezellen umfasst hierbei mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere in Reihe geschaltete, Batteriezelle(n) der Reihenschaltung aller Batteriezellen. Es ist aber auch möglich, dass der weitere Teilabschnitt genau eine Batteriezelle umfasst.
-
Vorzugsweise umfasst der erste Teilabschnitt mehr Batteriezellen als der weitere Teilabschnitt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein zeitlich schneller Ladungsausgleich.
-
In diesem Ladezustand kann elektrische Energie/Ladung von dem mindestens einen kapazitiven Element des Umladezweigs in die Batteriezelle(n) des weiteren Teilabschnitts transportiert werden. Dies kann auch als Ladevorgang bezeichnet werden. Auch der Ladezustand kann eingestellt werden, insbesondere durch Ansteuerung entsprechender Schaltelemente. Weiter ist mindestens eine Batteriezelle des ersten Teilabschnitts nicht Teil des weiteren Teilabschnitts. Vorzugsweise ist keine Batteriezelle des weiteren Teilabschnitts eine Batteriezelle des ersten Teilabschnitts (und umgekehrt). Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Batteriezellen, aber nicht alle Batteriezellen, des ersten Teilabschnitts nicht Teil des weiteren Teilabschnitts sind.
-
Das Einstellen des Entlade- und des Ladezustands kann hierbei durch die vorhergehend erläuterte Steuereinrichtung erfolgen. Insbesondere kann der Entladezustand solange eingestellt sein, bis das mindestens eine kapazitive Element des Umladezweigs einen vorbestimmten Ladezustand erreicht hat, insbesondere bis der Ladzustand auf den vorbestimmten Ladezustand gestiegen ist, und/oder bis eine oder mehrere Batteriezelle(n) des ersten Teilabschnitts einen vorbestimmten Ladezustand erreicht hat, insbesondere bis der Ladezustand dieser Batteriezelle(n) auf den vorbestimmten Ladezustand gefallen ist.
-
Der Ladezustand kann solange eingestellt sein, bis eine oder mehrere Batteriezellen des weiteren Teilabschnitts jeweils einen vorbestimmten (gewünschten) Ladezustand erreicht haben, insbesondere bis der Ladezustand dieser Batteriezelle(n) auf diesen vorbestimmten Ladezustand gestiegen ist, und/oder bis der Ladezustand des mindestens einen kapazitiven Elements einen vorbestimmten Schwellwert erreicht hat, insbesondere bis dieser Ladezustand auf den vorbestimmten Schwellwert gefallen ist.
-
Hierbei kann die Umladevorrichtung mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Bestimmung des Ladezustands des mindestens einen kapazitiven Elements des Umladezweigs umfassen. Weiter kann die Umladevorrichtung mindestens ein Mittel zur Erfassung des Ladezustands einer Batteriezelle, vorzugsweise jeder Batteriezelle, der Reihenschaltung aller Batteriezellen umfassen.
-
Eine Sequenz der Zustände „Entladezustand, Ladezustand“ bzw. „Entladezustand, Leerlaufzustand, Ladezustand“ kann periodisch wiederholt werden. In den einander entsprechenden Zuständen der verschiedenen Perioden können jeweils voneinander verschiedene Batteriezellen entladen oder geladen werden. Es ist z.B. möglich, dass in den Ladezuständen zeitlich aufeinanderfolgender Perioden jeweils eine der ungeraden Batteriezelle geladen wird. Nachdem alle ungeraden Batteriezellen geladen wurden, kann dann in den Ladezuständen von weiteren zeitlich aufeinanderfolgenden Perioden jeweils eine der geraden Batteriezelle geladen werden. Zwischen der Periodenfolge zum Laden der ungeraden Batteriezellen und der Periodenfolge zum Laden der geraden Batteriezellen kann ein Umladen des Kondensators im Umladezweig erfolgen, welches nachfolgend noch erläutert wird.
-
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass in den Ladezuständen zeitlich aufeinanderfolgender Perioden jeweils eine der geraden Batteriezelle geladen wird. Nachdem alle geraden Batteriezellen geladen wurden, kann dann in den Ladezuständen von weiteren zeitlich aufeinanderfolgenden Perioden jeweils eine der ungeraden Batteriezelle geladen werden. Zwischen der Periodenfolge zum Laden der geraden Batteriezellen und der Periodenfolge zum Laden der ungeraden Batteriezellen kann ein Umladen des Kondensators im Umladezweig erfolgen.
-
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Verfahren zum Durchführen eines Ladungsausgleichs zwischen verschiedenen Batteriezellen der Reihenschaltung von Batteriezellen einer Batterie, die die Gewährleistung der Betriebsfähigkeit verbessert. Insbesondere wird die Höhe eines Lade- oder Entladestroms, also des im Entlade- oder Ladezustand der Umladevorrichtung fließenden Stroms, durch das mindestens eine induktive Element begrenzt.
-
Weiter vorgeschlagen wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, wobei das Fahrzeug eine Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen und eine Umladevorrichtung gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen umfasst.
-
Insgesamt kann die in dieser Offenbarung beschriebene Umladevorrichtung und das Verfahren zum Betrieb der Umladevorrichtung entsprechend einer der in der nachveröffentlichten
DE 10 2018 221 099.3 beschriebenen Ausführungsformen aus- oder weitergebildet sein, insbesondere eine in den Ansprüchen dieser nachveröffentlichten
DE 10 2018 221 099.3 .
-
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Umladevorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein schematisches Schaltbild eines Schaltelements und
- 3 ein schematisches Schaltbild einer Umladevorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Eigenschaften.
-
1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Umladevorrichtung 1 für eine Batterie gemäß dem Stand der Technik, wobei die Batterie eine Reihenschaltung von mehreren Batteriezellen BT1, BT2, BT3, BT4, ...., BT11, BT12 umfasst. In 1 sind Pluspole der Batteriezellen BT1, ..., BT12 mit einem „+“-Zeichen und Minuspole der Batteriezellen BT1, ..., BT12 mit einem „-“-Zeichen dargestellt. Ferner dargestellt sind Batteriezellenspannung U1, U2, U3, U4, ..., U11, U12, wobei diese Batteriezellenspannung U1, ..., U12 über derjeweiligen Batteriezelle BT1, ...., BT12 abfällt.
-
Hierbei bilden die erste Batteriezelle BT1, die dritte Batteriezelle BT3, die fünfte Batteriezelle, die siebte Batteriezelle, die neunte Batteriezelle und die elfte Batteriezelle BT11 ungerade Batteriezellen der Reihenschaltung. Die zweite Batteriezelle BT2, die vierte Batteriezelle BT4, die sechste Batteriezelle, die achte Batteriezelle, die zehnte Batteriezelle und die zwölfte Batteriezelle BT12 bilden gerade Batteriezellen der Reihenschaltung.
-
Weiter umfasst die Umladevorrichtung Schaltelemente S1, S2, S3, S4, ..., S12, S13. Insbesondere ist die Anzahl von Schaltelementen S1, ..., S13 der Umladevorrichtung 1, die zum Herstellen oder Trennen der elektrischen Verbindung von Plus- oder Minuspolen der Batteriezellen BT1, ..., BT12 mit einer ersten Verbindungsleitung BL1 oder einer zweiten Verbindungsleitung BL2 dienen, um die Anzahl Eins größer als die Anzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen BT1, ..., BT12 der Batterie.
-
In 1 ist dargestellt, dass ein Pluspol jeder ungeraden Batteriezelle BT1, BT3, ..., BT11 über ein Schaltelement S1, S3, ... mit der ersten Verbindungsleitung BL1 verbindbar ist. Weiter ist dargestellt, dass auch ein Minuspol jeder geraden Batteriezelle der Reihenschaltung über ein Schaltelement S3, ..., S13 mit der ersten Verbindungsleitung BL1 verbindbar ist. Hierbei sind Pluspole aller ungeraden Batteriezellen BT3, ..., BT11 bis auf die erste Batteriezelle BT1 mit Minuspolen der in der Reihenschaltung jeweils unmittelbar vorangehenden geraden Batteriezelle BT2, BT4, ... elektrisch verbunden.
-
Weiter ist dargestellt, dass ein Pluspol jeder geraden Batteriezelle BT2, BT4, ..., BT12 über ein Schaltelement S2, S4, ..., S12 mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 verbindbar ist. Weiter dargestellt ist, dass die Pluspole der geraden Batteriezellen BT2, BT4, ..., BT12 mit Minuspolen der in der Reihenschaltung jeweils unmittelbar vorhergehenden ungeraden Batteriezelle BT1, BT3, ..., BT11 elektrisch verbunden sind. Somit sind auch die Minuspole aller ungeraden Batteriezellen BT1, BT3, ..., BT11 mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 über Schaltelemente S2, S4, ..., S12 elektrisch verbindbar.
-
Weiter dargestellt ist, dass die Umladevorrichtung 1 einen Umladezweig 2 umfasst, wobei im Umladezweig ein Kondensator C angeordnet ist. Es ist möglich, dass der Umladezweig eine Reihenschaltung eines Kondensator C und einer Induktivität, z.B. einer Spule, umfasst oder durch diese gebildet wird. Alternativ ist es möglich, dass der Umladezweig eine Reihenschaltung eines Kondensator C und einer Induktivität, z.B. einer Spule, und eines Widerstands umfasst oder durch diese gebildet wird. Die Reihenschaltung des Widerstands, des Kondensators C und der Spule bilden einen Schwingkreis, insbesondere einen bedämpften Schwingkreis. Ist kein Widerstand in dem Umladezweig 2 vorhanden, so bildet die Reihenschaltung im Umladezweig 2 einen ungedämpften Schwingkreis.
-
Der Umladezweig 2 weist einen ersten Anschluss A1 und einen zweiten Anschluss A2 auf. Der erste Anschluss A1 ist elektrisch mit der ersten Verbindungsleitung BL1 verbunden, insbesondere dauerhaft. Weiter ist der erste Anschluss A 1 des Umladezweigs 2 nicht direkt bzw. unmittelbar mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 verbindbar. Insbesondere kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss A 1 des Umladezweigs 2 und der zweiten Verbindungsleitung BL2 nur über mindestens eine Batteriezelle B T1, ..., BT12 hergestellt werden.
-
Weiter dargestellt ist, dass der zweite Anschluss A2 des Umladezweigs 2 mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 verbunden ist, insbesondere dauerhaft.
-
Insbesondere ist der zweite Anschluss A2 nicht direkt bzw. unmittelbar mit der ersten Verbindungsleitung BL 1 verbindbar. So kann die elektrische Verbindung des zweiten Anschlusses A2 mit der ersten Verbindungsleitung BL1 (und somit mit dem ersten Anschluss A1) nur über mindestens eine Batteriezelle BT1, ..., BT12 hergestellt werden.
-
Weiter dargestellt ist eine Kondensatorspannung UC, die über dem Kondensator C des Umladezweigs 2 abfällt, sowie eine Spulenspannung, die über der Spule L abfällt.
-
Schematisch dargestellt ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 3, die Schaltvorgänge der Schaltelemente S1, ..., S13 steuern kann. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 3 kann beispielsweise als Mikrocontroller oder integrierte Schaltung ausgebildet sein. Die Schaltelemente S1, ..., S13 können insbesondere als Leistungsschalter, weiter insbesondere als MOSFET oder IGBT, ausgebildet sein.
-
Verschiedene Zustände, insbesondere ein Leerlaufzustand und ein Entladezustand und ein Ladezustand, sind in der eingangs beschriebenen
DE 10 2018 221 099.3 erläutert.
-
2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines zweiten Schaltelements S2 sowie einen Ausschnitt der Umladevorrichtung 1.
-
Dargestellt ist eine zweite Batteriezelle BT2 mit dem entsprechenden Plus- und Minuspol. Weiter dargestellt sind die erste Verbindungsleitung BL1 und die zweite Verbindungsleitung BL2. Schematisch dargestellt ist ein erstes Schaltelement S1, welches den Pluspol der zweiten Batteriezelle BT2, wie in Bezug auf die in 1 dargestellte Ausführungsform bereits erläutert, mit der ersten Verbindungsleitung BL1 verbinden kann. Weiter dargestellt ist das zweite Schaltelement S2, über welches der Minuspol der zweiten Batteriezelle BT2 mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 verbindbar ist.
-
Es ist dargestellt, dass das zweite Schaltelement S2 aus einer Reihenschaltung von zwei MOSFETs TS1, TS2 gebildet wird. Diese MOSFETs TS1, TS2 sind als selbstsperrende n-Kanal-MOSFET(s) ausgebildet. Ein Drain-Anschluss des ersten MOSFET TS1 ist mit dem Minuspol der zweiten Batteriezelle BT2 verbunden. Ein Source-Anschluss dieses ersten MOSFET TS1 ist mit einem Source-Anschluss des zweiten MOSFET TS2 verbunden. Weiter ist ein Drain-Anschluss des zweiten MOSFET TS2 mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 verbunden.
-
Dargestellt sind weiter einer erste Schalterdiode DS1, die den Source-Anschluss mit dem Drain-Anschluss des ersten MOSFET TS1 verbindet, wobei die Durchlassrichtung dieser Schalterdiode DS1 vom Source- hin zum Drain-Anschluss orientiert ist. Ebenfalls ist eine zweite Schalterdiode DS2 vorhanden, die den Source-Anschluss mit dem Drain-Anschluss des zweiten MOSFET TS2 verbindet, wobei die Durchlassrichtung dieser zweiten Schaltdiode DS2 vom Source- hin zum Drain-Anschluss orientiert ist. Diese Schalterdioden DS1, DS2 sind intrinsische Schalterdioden der MOSFET TS1, TS2-
-
Weiter dargestellt ist eine Treiberschaltung 5, die einen Treiberspannungsanschluss 6 und einen Referenzspannungsanschluss 9 aufweist. Der Referenzspannungsanschluss 9 ist mit dem Source-Anschlüssen der MOSFETs TS1, TS2 verbunden. An den Treiberspannungsanschluss 6 ist sowohl ein Gate-Anschluss des ersten MOSFET TS1 als auch ein Gate-Anschluss des zweiten MOSFET TS2 angeschlossen. Dargestellt ist weiter eine Steuersignalleitung CS2, über die ein Steuersignal von einer Steuereinrichtung 7 (siehe 3) an die Treiberschaltung 5 übertragen werden kann. In Abhängigkeit dieses Steuersignals kann die Treiberschaltung 5 dann eine gewünschte Gate-Spannung der beiden MOSFETs TS1, TS2 des zweiten Schaltelements S2 einstellen. Insbesondere kann die Gate-Spannung derart eigestellt werden, dass das zweite Schaltelement S2 geöffnet oder geschlossen ist. Hierdurch können die vorhergehend erläuterten Zustände, insbesondere der vorhergehend erläuterte Ladezustand oder Entladezustand eingestellt werden.
-
In 2 ist die Ausbildung des zweiten Schaltelements S2 als Reihenschaltung aus zwei antiseriell geschalteten MOSFETs dargestellt. Es ist möglich, dass auch andere, insbesondere alle, Schaltelemente S1,..., S13 der Umladevorrichtung 1 (siehe 1), die zur Verbindung eines Pols einer Batteriezelle BT1, ..., BT12 mit einer Verbindungsleitung BL1, BL2 dienen, als Reihenschaltung von mindestens zwei antiseriell geschalteten MOSFETs ausgebildet ist. Insbesondere kann das z.B. ebenfalls in 2 dargestellte erste Schaltelement S1 ebenfalls als eine solche Reihenschaltung ausgebildet sein.
-
Weiter dargestellt ist, dass die Treiberschaltung 5 einen Versorgungsspannungsanschluss 8 aufweist. Dieser ist mit dem Pluspol der zweiten Batteriezelle BT2 verbunden.
-
Nicht dargestellt ist ein Pegelwandler, wobei durch den Pegelwandler eine Spannung an dem Treiberspannungsanschluss 6 der Treiberschaltung bereitgestellt wird. Durch den Pegelwandler kann beispielsweise ein Pegel der am Versorgungsspannungsanschluss liegenden Spannung gewandelt werden.
-
3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Umladevorrichtung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist ein Umladezweig 2 mit einem Kondensator C und einer Spule L, die in Reihe geschaltet sind. Wie vorhergehend erläutert, kann der Umladezweig 2 auch nur einen Kondensator C umfassen.
-
Weiter dargestellt ist ein erster Anschluss A1 und ein zweiter Anschluss A2 des Umladezweigs 2. Weiter dargestellt ist eine Reihenschaltung von vier Batteriezellen BT1, BT2, BT3, BT4. Weiter dargestellt ist eine erste Verbindungsleitung BL1 und eine zweite Verbindungsleitung BL2.
-
Die Pluspole jeder ungeraden Batteriezelle BT1, BT3 der Reihenschaltung von Batteriezellen BT1,..., BT4 sind über Schaltelemente S1, S3 mit der ersten Verbindungsleitung BL1 verbindbar. Die Minuspole jeder geraden Batteriezelle BT2, BT4 sind über Schaltelemente S3, S5 mit der ersten Verbindungsleitung BL1 verbindbar. Die Pluspole jeder geraden Batteriezelle BT2, BT4 sind über Schaltelemente S2, S4 mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 verbindbar. Entsprechend sind Minuspole jeder ungeraden Batteriezelle BT1, BT3 über Schaltelemente S2, S4 mit der zweiten Verbindungsleitung BL2 verbindbar.
-
In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die erste Verbindungsleitung BL1 mit dem ersten Anschluss A1 als auch mit dem weiteren Anschluss A2 mittels eines ersten Wechselschaltelements SA1 verbindbar. Entsprechend ist die weitere Verbindungsleitung BL2 mit dem ersten Anschluss A1 als auch mit dem weiteren Anschluss A2 verbindbar, nämlich mittels eines weiteren Wechselschaltelements SA2.
-
Hierbei können die Schaltelemente S1, ..., S5, über die Pole der Batteriezellen BT1, ..., BT4 mit Verbindungsleitungen BL1, BL2 verbindbar sind bzw. über die die Verbindung zwischen den Polen und den Verbindungsleitungen BL1, BL2 herstellbar oder trennbar ist, als Schaltelemente S1, ..., S5 einer ersten Schaltelementebene bezeichnet werden. Die Schaltelemente SA1, SA2, über die eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen A1, A2 des Umladezweigs 2 und den Verbindungsleitungen BL1, BL2 herstellbar oder trennbar sind, können als Schaltelemente einer zweiten Schaltelementebene bezeichnet werden.
-
Hierbei umfasst die in 3 dargestellte Ausführungsform Schaltelemente der ersten und der zweiten Schaltelementebene. Die in 1 dargestellte Ausführungsform umfasst hierbei Schaltelemente der ersten Schaltelementebene, jedoch keine Schaltelemente der zweiten Schaltelementebene.
-
Dargestellt ist weiter eine Steuereinrichtung 7 zur Steuerung des Betriebs der Schaltelemente S1, ..., S5 der ersten Ebene, die jeweils entsprechend der in 2 dargestellten Ausführungsform ausgebildet sein können, wobei die Steuereinrichtung 7 Steuersignale für den Betrieb dieser Schaltelemente S1, ..., S5 erzeugt und über Steuerleitungen CS1, CS2, CS3, CS4, CS5 an nicht dargestellte Treiberschaltungen 5 (siehe 2) überträgt. Ein Versorgungsspannungsanschluss der Steuereinrichtung 7 ist mit einem Minuspol der vierten Batteriezelle BT4 der Reihenschaltung aller Batteriezellen BT1,..., BT4 verbunden.
-
Ebenfalls dargestellt ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 3, die Schaltvorgänge der Wechselschaltelemente SA1, SA2 steuern kann. Es ist möglich, dass die Steuereinrichtungen 3, 7 als separate oder als gemeinsame Steuereinrichtung ausgebildet sind.
-
Weiter dargestellt, ist dass der Pluspol der ersten Batteriezelle BT1 über eine erste Schutzleitung SL1 mit der ersten Verbindungsleitung BL1 und über eine zweite Schutzleitung SL2 mit der weiteren Verbindungsleitung BL2 verbunden ist. In der ersten Schutzleitung SL1 ist eine erste Schutzdiode SD1 angeordnet, wobei die Durchlassrichtung dieser ersten Schutzdiode SD1 von der ersten Verbindungsleitung BL1 zum Pluspol orientiert ist. In der zweiten Schutzleitung SL2 ist eine zweite Schutzdiode SD2 angeordnet, deren Durchlassrichtung von der zweiten Verbindungsleitung zum Pluspol der ersten Batteriezelle BT1 orientiert ist.
-
Weiter dargestellt ist, dass der Minuspol der vierten und somit letzten Batteriezelle BT4 über eine dritte Schutzleitung SL3 mit der ersten Verbindungsleitung BL1 verbunden ist, wobei in der dritten Schutzleitung SL3 eine dritte Schutzdiode SD3 angeordnet ist, deren Durchlassrichtung von dem Minuspol hin zur ersten Verbindungsleitung BL1 orientiert ist. Entsprechend ist in einer vierten Schutzleitung SL4 eine vierte Schutzdiode SD4 angeordnet, deren Durchlassrichtung von dem Minuspol hin zur zweiten Verbindungsleitung BL2 orientiert ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Umladevorrichtung
- 2
- Umladezweig
- 3
- Steuer- und Auswerteeinrichtung
- 5
- Treiberschaltung
- 6
- Treiberspannungsanschluss
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- Versorgungsspannungsanschluss
- 9
- Referenzspannungsanschluss
- C
- Kondensator
- L
- Spule
- R
- Widerstandselement
- S1, ..., S12
- Schaltelement
- BT1, ..., BT12
- Batteriezelle
- BL1
- erste Verbindungsleitung
- BL2
- zweite Verbindungsleitung
- A1
- erster Anschluss
- A2
- zweiter Anschluss
- UC
- Kondensatorspannung
- UL
- Spulenspannung
- SL1, ..., SL4
- Schutzleitung
- SD1, ..., SD4
- Schutzdioden
- TS1, TS2
- MOSFET
- DS1, DS2
- Schaltdioden
- CS1, ..., CS5
- Steuersignalleitungen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 10446880 B2 [0002]
- DE 102010029015 A1 [0003]
- US 10396569 B2 [0004]
- DE 102018221099 [0005, 0082, 0096]
