DE112010001505B4

DE112010001505B4 - Leistungsverwaltungsschaltung fur einen Akkustapel

Info

Publication number: DE112010001505B4
Application number: DE112010001505.8T
Authority: DE
Inventors: Pantas Sutardja
Original assignee: Marvell Asia Pte Ltd
Current assignee: Marvell Asia Pte Ltd
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: CN102422503A; JP2012523214A; DE112010001505T5; KR20110137386A; US8736231B2; US20130300344A1; KR101677679B1; US8493028B2; JP5435124B2; CN102422503B; WO2010114806A1; US20100253286A1

Abstract

Ladeausgleichssystem, das umfasst:N Schaltungen, die jeweils enthalten:einen ersten und einen zweiten Schalter (112, 114), die in Reihe verbunden sind; undein Induktionselement (116) mit einem ersten Ende, das zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter (112, 114) verbunden ist;ein Steuermodul (110), das Steuersignale zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters (112, 114) ausgibt, wobei N eine Ganzzahl größer oder gleich 1 ist,wobei ein zweites Ende des Induktionselements (116) einer ersten der N Schaltungen zwischen zwei Zellen (104, 106) eines ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen eines Akkustapels (102) verbunden ist, und wobei der erste und der zweite Schalter (112, 114) der ersten der N Schaltungen parallel mit dem ersten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden sind, undwobei das Steuermodul (110) eine Ladung zwischen den zwei Zellen (104, 106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement (116) überträgt, bis die Differenz zwischen den entsprechenden Ausgangsspannungen der zwei Zellen des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellwert ist; undeinen Steuerschalter, der den Akkustapel (102) trennt, wenn die Ausgangsspannung des Akkustapels auf weniger als eine vorbestimmte Spannung fällt.

Description

Erfindungsfeld
Die Erfindung betrifft Akkus und insbesondere eine Leistungsverwaltungsschaltung für einen Akkustapel.
Hintergrund
Die folgenden Erläuterungen zum Hintergrund der Erfindung sollen den Kontext der vorliegenden Erfindung verdeutlichen. Dabei kann auch auf die Arbeit der Erfinder Bezug genommen werden oder können bestimmte Aspekte der weiter unten zu beschreibenden Erfindung vorweggenommen werden, ohne dass diese deshalb als Stand der Technik in Bezug auf die vorliegende Erfindung zu betrachten sind.
Akkus werden in vielen Anwendungen wie etwa in tragbaren elektronischen Geräten oder in Industrieausstattungen verwendet. Tragbare elektronische Geräte sind etwa Mobiltelefone, Kameras, PDAs, Laptop-Computer und Notebook-Computer. Industrieausstattungen sind etwa Gabelstapler, Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, medizinische Ausstattungen und unterbrechungsfreie Stromversorgungen.
Akkus enthalten gewöhnlich Zellen, die verschiedene chemische Techniken verwenden können und verschiedene Ausgangsspannungen erzeugen können. Zum Beispiel erzeugen Nickel-Cadmium (NiCd)- und Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Zellen eine Ausgangsspannung von 1,2 V. Lithium-Ionen-Zellen dagegen erzeugen Ausgangsspannungen zwischen 3,6 V und 3,9 V.
Viele Anwendungen verwenden Spannungen, die größer sein können als die durch eine einzelne Zelle erzeugte Ausgangsspannung.
Deshalb kann ein Akkustapel mit mehreren Zellen verwendet werden, um Ausgangsspannungen zu erzeugen, die größer als die durch eine einzelne Zelle erzeugte Spannung sind. Zum Beispiel kann ein Akkustapel mit zwei Zellen eine Ausgangsspannung erzeugen, mit der tragbare elektronische Geräte betrieben werden können. Ein Akkustapel mit hunderten von Zellen kann eine Ausgangsspannung erzeugen, mit der Elektrofahrzeuge betrieben werden können.
Allgemein weist eine Zelle eines Akkus eine Kapazität zum Speichern einer vorbestimmten Ladungsmenge auf. Die Kapazität kann als Nennkapazität der Zelle bezeichnet werden. Die zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle verbleibende Ladungsmenge kann als Ladezustand der Zelle bezeichnet werden. Eine Zelle befindet sich in einem vollständig geladenen Zustand, wenn sie auf die maximale Kapazität (d.h. auf die Nennkapazität) geladen ist. Umgekehrt befindet sich eine Zelle in einem vollständig entladenen Zustand, wenn sie zu einer minimalen Kapazität entladen ist. Die Ausgangsspannung der Zelle ist von dem Ladezustand der Zelle abhängig.
Unter Umständen kann eine Zelle nicht in der Lage sein, eine der Nennkapazität entsprechende Ladungsmenge zu speichern. Stattdessen kann die Zelle nur eine unter der Nennkapazität liegende Ladungsmenge speichern. Je nach ihrer Fähigkeit zum Speichern einer Ladung mit Bezug auf die Nennkapazität kann eine Zelle deshalb als schwache oder starke Zelle bezeichnet werden.
Zum Beispiel kann eine starke Zelle im vollständig geladenen Zustand eine beinahe der Nennkapazität entsprechende Ladung speichern. Umgekehrt kann eine schwache Zelle im vollständig geladenen Zustand keine beinahe der Nennkapazität entsprechende Ladung speichern. Stattdessen speichert die schwache Zelle im vollständig geladenen Zustand eine wesentlich unter der Nennkapazität liegende Ladung.
Wenn Zellen in Reihe zu einem Akkustapel verbunden werden, fließt dieselbe Strommenge während des Ladens und Entladens durch die Zellen. Während des Ladens wird eine schwache Zelle schneller geladen als eine starke Zelle und ist vor der starken Zelle vollständig geladen. Die Ausgangsspannung der schwachen Zelle erreicht ihren maximalen Nennwert vor der starken Zelle. Die schwache Zelle wird überladen, wenn das Laden fortgesetzt wird, um die starke Zelle vollständig zu laden. Die Ausgangsspannung der schwachen Zelle überschreitet ihren maximalen Nennwert, wenn die schwache Zelle überladen ist.
Während des Entladens entlädt sich die schwache Zelle schneller als die starke Zelle und ist vor der starken Zelle vollständig entladen. Die Ausgangsspannung der schwachen Zelle fällt schneller von dem maximalen Nennwert als die starke Zelle. Die starke Zelle kann die schwache Zelle umgekehrt laden, wenn das Entladen fortgesetzt wird, bis die starke Zelle vollständig entladen ist.
Durch ein häufiges Überladen und Umkehrladen kann die Anzahl der nutzbaren Lade-/Entladezyklen der Zellen reduziert werden. Die meisten Zellen weisen eine begrenzte Anzahl von nutzbaren Lade-/Entladezyklen auf. Zum Beispiel weisen Bleisäurezellen 200-250 nutzbare Lade-/Entladezyklen auf. Nickel-Cadmium (NiCd)-Zellen weisen 500-1200 nutzbare Lade-/Entladezyklen auf. Lithium-Ionen-Zellen weisen 300-500 nutzbare Lade-/Entladezyklen auf. Die Anzahl der nutzbaren Lade-/Entladezyklen wird beträchtlich vermindert, wenn die Zellen schwächer werden und für eine längere Zeitdauer überladen werden. Außerdem können die Zellen beschädigt werden, wenn die schwachen Zellen vollständig entladen und umgekehrt geladen werden.
Um ein Überladen und ein Überentladen der schwachen Zellen zu verhindern, kann der Akkustapel mit weniger als der Nennkapazität betrieben werden. Zum Beispiel kann ein Ladezyklus des Akkustapels beendet werden, wenn die schwache Zelle vollständig geladen ist. Durch das Beenden des Ladezyklus bei einer vollständigen Ladung der schwachen Zelle kann verhindert werden, dass andere Zellen in dem Akkustapel vollständig geladen werden. Daraus resultiert, dass der Akkustapel eine unter der Nennkapazität liegende Leistung zuführt.
Umgekehrt kann der Entladezyklus des Akkustapels beendet werden, wenn die schwache Zelle vollständig entladen ist. Indem der Entladezyklus beendet wird, wenn die schwache Zelle vollständig entladen ist, kann verhindert werden, dass andere Zellen in dem Akkustapel vollständig entladen werden.
Ein Betrieb des Akkustapels unter der Nennkapazität kann zu einer Verschwendung von ungenutzter Kapazität des Akkustapels führen. Außerdem kann durch einen Betrieb des Akkustapels unter der Nennkapazität die Anzahl der Lade-/Entladezyklen erhöht werden.
Stattdessen kann jede Zelle des Akkustapels individuell überwacht werden. Das Laden und Entladen jeder Zelle kann gesteuert werden, um eine Beschädigung der schwachen Zellen zu verhindern. Zum Beispiel können steuerbare dissipative Bypasseinrichtungen in Verbindung mit jeder Zelle verwendet werden. Eine Steuereinrichtung zum Steuern des Ladens und Entladens kann erfassen, wann eine schwache Zelle vollständig geladen ist. Die Steuereinrichtung kann eine mit der schwachen Zelle assoziierte dissipative Bypasseinrichtung einschalten, wenn die schwache Zelle vollständig geladen ist. Die dissipative Bypasseinrichtung nimmt die schwache Zelle von einem weiteren Laden aus, während das Laden der anderen Zellen fortgesetzt wird, bis deren Nennkapazitäten erreicht sind. Auf diese Weise verhindert die dissipative Bypasseinrichtung ein Überladen der schwachen Zelle.
Außerdem kann die Steuereinrichtung erfassen, wann die schwache Zelle beinahe vollständig entladen ist. Die Steuereinrichtung kann ein weiteres Entladen des Akkustapels unterbinden, wenn die schwache Zelle beinahe vollständig entladen ist. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung ein Überentladen der schwachen Zelle verhindern.
Dieser Ansatz schützt die schwachen Zellen vor einem Überladen und einem Überentladen. Die nutzbare Kapazität der starken Zellen ist dabei jedoch nicht vollständig verfügbar. Weiterhin reduziert die Verwendung der dissipativen Bypasseinrichtungen die Round-Trip-Lade-/Entladeeffizienz während des Ladens.
In Nishijima, K.; Sakamoto, H.; Harada, K.: „A PWM controlled simple and high performance battery balancing system", IEEE 31st Annual Power Electronics Specialists Conference, Conference Proceedings (Cat. No.00CH37018), Galway, Ireland, 2000, S. 517-520 Vol.1 wird zum Ausgleichen von Batteriezellen, die in einem Serienstrang verbunden sind, ein Batterieausgleichssystem vorgeschlagen, bei dem ein DC/DC-Wandlers mit PWM-Steuerung zum vollständigen Ausgleich aller Zellspannungen verwendet wird. Der Schaltimpuls und Rauschen werden durch sanftes Schalten mit Induktorkommutierung klein gehalten.
Aus der US 6 259 229 B1 ist eine Vorrichtung zum Ausgleichen des Energiepotentials innerhalb der Zellen einer Energiespeichervorrichtung bekannt. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine erste Speicherzelle und eine zweite Speicherzelle, die in der Energiespeichervorrichtung enthalten sind, einen ersten Schaltkreis, der über die erste Speicherzelle geschaltet ist, einen zweiten Schaltkreis, der über die zweite Speicherzelle geschaltet ist, und einen Induktor, der zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltkreis angeschlossen ist. Der erste und der zweite Schaltkreis werden abwechselnd zwischen einem stromleitenden Zustand und einem nichtleitenden Zustand geschaltet, um Energie zwischen der ersten Speicherzelle, dem Induktor und der zweiten Speicherzelle zu übertragen, wobei der erste und der zweite Schaltkreis abwechselnd geschaltet werden, bis eine zwischen der ersten Speicherzelle und der zweiten Speicherzelle übertragene Nettoenergie gegen Null geht. Die Vorrichtung umfasst zudem eine Frequenzmodulationsschaltung zum abwechselnden Schalten des ersten und des zweiten Schaltkreises zwischen einem leitenden Zustand und einem nichtleitenden Zustand.
Die WO 97/ 04 513 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen zwei in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden Energiespeichern oder Energiewandlern, bei der ein induktives Element mit Hilfe von von einem Taktgeber ansteuerbaren Schaltern parallel zu den Energiespeichern oder Energiewandlern zuschaltbar ist. Das induktive Element ist mit seinem einen Anschluss zwischen den beiden Energiespeichern oder Energiewandlern angeschaltet und an seinem anderen Anschluss über zwei jeweils einem Energiespeicher oder Energiewandler zugeordnete Schalter parallel zu dem jeweiligen Energiespeicher oder Energiewandler schaltbar. Eine Komparatorschaltung ist vorgesehen, mit der die Spannungen der beiden Energiespeicher oder Energiewandler miteinander oder mit einem Sollwert vergleichbar sind. Die Komparatorschaltung ist über Steuerleitungen mit den Taktgebern verbunden. In einer von der Komparatorschaltung vorgebbaren Einschaltphase ist nur der eine Schalter von dem Taktgeber schließbar, dessen zugeordneter Energiespeicher oder Energiewandler den größeren Spannungswert aufweist, so dass in einer von der Komparatorschaltung vorgebbaren Ausschaltphase die in dem induktiven Element gespeicherte Energie über den in der Ausschaltphase geschlossenen anderen Schalter oder über jeweils parallel zu den Schaltern geschaltete Dioden in den spannungsschwächeren Energiespeicher oder Energiewandler abgebbar ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Ladeausgleichssystem zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zusammenfassung
Ein Ladeausgleichssystem umfasst N Schaltungen und ein Steuermodul, wobei N eine Ganzzahl größer oder gleich 1 ist. Jede der N Schaltungen umfasst einen ersten und einen zweiten Schalter, die in Reihe verbunden sind, und ein Induktionselement mit einem ersten Ende, das zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter verbunden ist. Das Steuermodul gibt Steuersignale zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters aus. Ein zweites Ende des Induktionselements einer ersten der N Schaltungen ist zwischen zwei Zellen eines ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen eines Akkustapels verbunden. Der erste und der zweite Schalter der ersten der N Schaltungen sind parallel mit dem ersten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden. Das Steuermodul überträgt eine Ladung zwischen den zwei Zellen des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement, bis die Differenz zwischen den entsprechenden Ausgangsspannungen der zwei Zellen des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellwert ist. Ein Steuerschalter trennt den Akkustapel, wenn die Ausgangsspannung des Akkustapels auf weniger als eine vorbestimmte Spannung fällt.
Gemäß einem weiteren Merkmal überträgt das Steuermodul die Ladung auf der Basis des Einschaltverhältnisses der Steuersignale während eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels.
Wenn gemäß einem weiteren Merkmal eine erste Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen schneller geladen wird als eine zweite Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen, überträgt das Steuermodul eine erste Ladung von der ersten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen zu der zweiten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement auf der Basis des Einschaltverhältnisses der Steuersignale.
Gemäß einem weiteren Merkmal überträgt das Steuermodul die erste Ladung, wenn der Ladezustand der ersten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen um einen ersten vorbestimmten Schwellwert kleiner als ein vollständig geladener Zustand ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal überträgt das Steuermodul eine zweite Ladung von der zweiten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen zu der ersten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen während eines Entladezyklus, wenn der Ladezustand um einen zweiten vorbestimmten Schwellwert größer als ein vollständig entladener Zustand ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal überträgt das Steuermodul die zweite Ladung, bis eine erste Ausgangsspannung der ersten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen größer als eine zweite Ausgangsspannung der zweiten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal passt das Steuermodul das Einschaltverhältnis der Steuersignale auf der Basis der Ausgangsspannung des Akkustapels während eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels an.
Ein entsprechendes Verfahren umfasst das Verbinden des ersten und des zweiten Schalters jeder der N Schaltungen in Reihe, wobei N eine Ganzzahl größer oder gleich 1 ist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden eines ersten Endes eines Induktionselements zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter, wobei jede der N Schaltungen ein Induktionselement enthält. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden eines zweiten Endes des Induktionselements einer ersten der N Schaltungen zwischen den zwei Zellen eines ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen eines Akkustapels. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des ersten und des zweiten Schalters der ersten von N Schaltungen parallel zu dem ersten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausgeben von Steuersignalen zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters.
Das Verfahren kann weiterhin das Übertragen einer Ladung zwischen den zwei Zellen des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement auf der Basis des Einschaltverhältnisses der Steuersignale während wenigstens eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Übertragen der Ladung, bis die Differenz zwischen den entsprechenden Ausgangsspannungen der zwei Zellen des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellwert ist, umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Übertragen einer ersten Ladung von einer ersten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen zu einer zweiten Zelle des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement auf der Basis des Einschaltverhältnisses der Steuersignale, wenn die erste Zelle schneller geladen wird als die zweite Zelle, umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Übertragen der ersten Ladung, wenn der Ladezustand der ersten Zelle um einen ersten vorbestimmten Schwellwert kleiner als ein vollständig geladener Zustand ist, umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Übertragen einer zweiten Ladung von der zweiten Zelle zu der ersten Zelle während eines Entladezyklus, wenn der Ladezustand um einen zweiten vorbestimmten Schwellwert größer als ein vollständig entladener Zustand ist, umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Übertragen der zweiten Ladung, bis eine erste Ausgangspannung der ersten Zelle größer als eine zweite Ausgangsspannung der zweiten Zelle ist, umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Anpassen des Einschaltverhältnisses der Steuersignale auf der Basis der Ausgangsspannung des Akkustapels während wenigstens eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Erfassen einer ersten Spannung über das erste Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen, das Erfassen einer zweiten Spannung an dem zweiten Ende des Induktionselements und das Bestimmen von jeweiligen Ausgangsspannungen der zwei Zellen des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen auf der Basis der ersten und der zweiten Spannung umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Anpassen des Einschaltverhältnisses der Steuersignale auf der Basis wenigstens einer der Ausgangsspannungen während wenigstens eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Erzeugen der Steuersignale und das Modulieren der Pulsbreiten der Steuersignale auf der Basis des Einschaltverhältnisses umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Trennen des Akkustapels, wenn die Ausgangsspannung des Akkustapels unter eine vorbestimmte Spannung vermindert wird, umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin das Verbinden eines zweiten Endes eines Induktionselements einer zweiten der N Schaltungen zwischen zwei Zellen eines zweiten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen des Akkustapels, wenn N größer oder gleich 3 ist, umfassen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des ersten und des zweiten Schalters der zweiten der N Schaltungen parallel zu dem zweiten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des ersten und des zweiten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen in Reihe. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des zweiten Schalters der ersten von N Schaltungen mit dem ersten Schalter der zweiten der N Schaltungen.
Das Verfahren kann weiterhin das Verbinden eines zweiten Endes eines Induktionselements einer dritten der N Schaltungen zwischen jeweils dem zweiten und dem ersten Schalter der ersten und der zweiten der N Schaltungen umfassen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des ersten und des zweiten Schalters der dritten der N Schaltungen parallel zu dem ersten und dem zweiten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen.
Das Verfahren kann weiterhin das Verbinden eines zweiten Endes eines Induktionselements einer vierten der N Schaltungen zwischen den zwei Zellen eines dritten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen des Akkustapels, wenn N größer oder gleich 5 ist, umfassen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des ersten und des zweiten Schalters der vierten der N Schaltungen parallel zu dem dritten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des zweiten Schalters der vierten von N Schaltungen mit dem ersten Schalter der ersten von N Schaltungen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des dritten Paares von 2N in Reihe verbunden Zellen in Reihe mit dem ersten und dem zweiten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen.
Das Verfahren kann weiterhin das Verbinden eines zweiten Endes eines Induktionselements einer fünften der N Schaltungen zwischen dem zweiten und dem ersten Schalter jeweils der vierten und der ersten der N Schaltungen umfassen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des ersten und des zweiten Schalters der fünften der N Schaltungen parallel zu dem dritten und dem ersten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen.
Die vorstehend genannten Systeme und Verfahren können durch ein Computerprogramm implementiert werden, das durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann in einem physikalischen, einem computerlesbaren Medium wie etwa einem Arbeitsspeicher, einem nichtflüchtigen Datenspeicher und/oder anderen geeigneten physikalischen Speichermedien enthalten sein.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung, die Ansprüche und die Zeichnungen verdeutlicht. Die folgende ausführliche Beschreibung spezifischer Beispiele soll die Erfindung verdeutlichen, wobei die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines Leistungsverwaltungssystems zum Steuern eines Akkustapels.
2 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Pulsbreitenmodulations (PWM)-Steuermoduls des Leistungsverwaltungssystems von 1.
3 ist eine schematische Ansicht eines Leistungsverwaltungssystems zum Steuern eines Akkustapels mit zwei Lithium-Ionen-Zellen.
4 ist eine schematische Ansicht eines Leistungsverwaltungssystems zum Steuern eines Akkustapels mit vier Zellen.
5 ist eine schematische Ansicht eines Leistungsverwaltungssystems zum Steuern eines Akkustapels mit sechs Zellen.
6 ist ein Flussdiagramm zu einem Verfahren zum Laden eines Akkustapels.
7 ist ein Flussdiagramm zu einem Verfahren zum Entladen eines Akkustapels.
8 ist eine schematische Ansicht eines Leistungsverwaltungssystems zum Steuern eines Akkustapels mit einer gestaffelten Topologie.
9 ist eine schematische Ansicht eines Leistungsverwaltungssystems zum Steuern eines Akkustapels mit einer parallelen Topologie für die Leistungszufuhr.

Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft erläuternd aufzufassen und schränkt die Erfindung und ihre Anwendung in keiner Weise ein. Der Deutlichkeit halber werden in den Zeichnungen durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet, um jeweils ähnliche Elemente anzugeben. Wenn im Folgenden von A, B und/oder C gesprochen wird, ist dies logisch als (A oder B oder C) mit einem nicht-exklusiven logischen ODER aufzufassen. Außerdem ist zu beachten, dass die Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
Unter einem Modul ist im Folgenden eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, ein Prozessor (allgemein, dediziert oder Gruppe) und/oder ein Speicher (allgemein, dediziert oder Gruppe) zum Ausführen von einem oder mehreren Softwareprogrammen, eine Kombinationslogikschaltung und/oder eine andere geeignete Komponente oder ein Teil derselben zu verstehen, der bzw. die die beschriebene Funktion ausführen kann.
Die vorliegende Beschreibung nimmt auf die Nutzung eines induktiven Energiespeichers zum Bewegen von Ladung in und aus jeder Zelle in einem Akkustapel Bezug. Eine Pulsbreitenmodulation (PWM)-Steuerschaltung wird zum Steuern des Ladens und Entladens verwendet. Das Einschaltverhältnis der PWM-Schaltschaltung wird für das Liefern/Aufnehmen von Strom zu/von den Zellen über ein Induktionselement angepasst. Die Verwendung eines Induktionselements für die Energiespeicherung während des Lieferns/Aufnehmens von Strom zu/von den Zellen minimiert den Energieverlust.
Zum Beispiel liefert die PWM-Schaltschaltung einen positiven Nettostrom, indem sie während des Ladens eine schwache Zelle entlädt und eine starke Zelle lädt. Die PWM-Schaltschaltung liefert Strom, wenn die schwache Zelle vollständig geladen ist und die starke Zelle noch nicht vollständig geladen ist. Insbesondere überträgt die PWM-Schaltschaltung Ladung von der schwachen Zelle zu der starken Zelle, wenn die schwache Zelle vollständig geladen ist. Durch das Übertragen von Ladung von der schwachen Zelle zu der starken Zelle wird verhindert, dass die schwache Zelle überladen wird, während die starke Zelle zu ihrer vollständigen Kapazität geladen wird.
Außerdem nimmt die PWM-Schaltschaltung Strom auf, indem sie während des Entladens die starke Zelle entlädt und die schwache Zelle lädt. Die PWM-Schaltschaltung überträgt eine Ladung von der starken Zelle zu der schwachen Zelle, wenn sich die schwache Zelle schneller entlädt als die starke Zelle. Durch das Übertragen von Ladung von der starken Zelle zu der schwachen Zelle wird ein Überentladen der schwachen Zelle verhindert.
Durch das Übertragen von Ladung von einer Zelle zu einer anderen Zelle werden die Ausgangsspannungen der Zellen während des Ladens und Entladens ausgeglichen. Der Prozess zum Ausgleichen der Ausgangsspannungen durch das Übertragen von Ladung von einer Zelle zu einer anderen Zelle wird als Zellenausgleich oder Spannungsausgleich bezeichnet.
Am Ende des Zellenausgleichs können die Ausgangsspannungen der Zellen beinahe gleich sein. Eine kleine Differenz kann zwischen den Ausgangsspannungen bestehen. Die Differenz kann kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellwert sein. Der vorbestimmte Schwellwert kann beinahe gleich null sein. Der vorbestimmte Schwellwert kann von verschiedenen Faktoren abhängen. Zu den Faktoren können die Typen der Zellen und die Gesamtanzahl der Zellen in dem Akkustapel gehören. Weitere Faktoren können die Betriebsspannungen und das Alter der Zellen sein. Zum Beispiel kann der vorbestimmte Schwellwert gleich einem Bruchteil eines Volts sein (z.B. 0,05 V oder 0,2 V). Alternativ hierzu kann der vorbestimmte Schwellwert gleich einem kleinen Prozentsatz der Betriebsspannung sein (z.B. 0,5% oder 2%).
Die PWM-Schaltschaltung kann in einem Dauermodus oder in einem Wahlmodus betrieben werden. In dem Dauermodus ist die PWM-Schaltschaltung während des Ladens und Entladens eingeschaltet. Die PWM-Schaltschaltung gleicht die Ausgangsspannungen der Zellen unabhängig von dem Gesamtladezustand des Akkustapels aus. Dementsprechend zieht die PWM-Schaltschaltung in dem Dauermodus Leistung aus dem Akkustapel und leert somit den Akkustapel.
Alternativ hierzu kann die PWM-Schaltschaltung in dem Wahlmodus betrieben werden. In dem Wahlmodus wird die PWM-Schaltschaltung ausgeschaltet, wenn die Ladepegel der Zellen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen. Die PWM-Schaltschaltung wird eingeschaltet, wenn der Ladepegel einer Zelle außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Der vorbestimmte Bereich weist einen oberen Schwellwert und einen unteren Schwellwert auf. Der obere Schwellwert ist etwas kleiner als die Nennkapazität der Zellen. Zum Beispiel kann der obere Schwellwert 95% der Nennkapazität betragen. Der untere Schwellwert kann etwas größer als null sein. Zum Beispiel kann der untere Schwellwert 5% der Nennkapazität betragen. Der obere Schwellwert gibt also an, wann eine Zelle beinahe vollständig geladen ist. Der untere Schwellwert gibt an, wenn eine Zelle beinahe vollständig entladen ist.
Die PWM-Schaltschaltung kann während des Ladens eingeschaltet werden, wenn die Zelle auf 95% der Nennkapazität geladen ist. Außerdem kann die PWM-Schaltschaltung während des Entladens eingeschaltet werden, wenn eine Zelle auf 5% ihrer Nennkapazität entladen ist.
Die PWM-Schaltschaltung muss keinen Zellenausgleich durchführen, wenn eine Zelle (z.B. eine schwache Zelle) auf weniger oder gleich dem unteren Schwellwert entladen ist. Stattdessen kann die PWM-Schaltschaltung Ladung von der starken Zelle verwenden, um die schwache Zelle zu laden, bis die Ladepegel der schwachen und der starken Zellen beinahe ausgeglichen sind. Weil die schwache Zelle weniger Kapazität aufweist als die starke Zelle, wird die Ausgangsspannung der schwachen Zelle größer als die Ausgangsspannung der starken Zelle. Dadurch wird verhindert, dass die starke Zelle die schwache Zelle umgekehrt lädt.
In 1 ist ein Leistungsverwaltungssystem 100 zum Steuern eines Akkustapels 102 gezeigt. Zum Beispiel umfasst der Akkustapel 102 zwei Zellen: eine erste Zelle 104 und eine zweite Zelle 106. Die erste Zelle 104 ist in Reihe mit der zweiten Zelle 106 verbunden.
Das Leistungsverwaltungssystem 100 umfasst eine PWM-Schaltschaltung 108, die den Akkustapel 102 steuert. Die PWM-Schaltschaltung 108 ist wie gezeigt über zwei äußere Anschlüsse 102-1, 102-2 des Akkustapels 102 verbunden. Der Akkustapel 102 kann von der PWM-Schaltschaltung 108 getrennt werden. Die PWM-Schaltschaltung 108 ist tragbar und kann über eine Steckverbindung mit dem Akkustapel 102 verbunden werden. In anderen Implementierungen kann die PWM-Schaltschaltung 108 in dem Akkustapel 102 integriert sein.
Die PWM-Schaltschaltung 108 umfasst ein PWM-Steuermodul 110, eine Treiberschaltung 111 und ein Induktionselement 116. Die Treiberschaltung 111 umfasst einen ersten Schalter 112 und einen zweiten Schalter 114. Der erste und der zweite Schalter 112, 114 und das Induktionselement 116 können gemeinsam als eine Basis-Zellenausgleichsschaltung bezeichnet werden. Der erste und der zweite Schalter 112, 114 können durch Halbleiterschaltelemente implementiert werden. Zum Beispiel können der erste und der zweite Schalter 112, 114 durch MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren) implementiert werden.
Das PWM-Steuermodul 110 betreibt den ersten und den zweiten Schalter 112, 114 mit einem anpassbaren Einschaltverhältnis. Ein erster Anschluss des Induktionselements 116 ist mit dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 an einem Knoten 117 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Induktionselements 116 ist mit einem Knoten 118 des Akkustapels 102 verbunden. Die erste Zelle 104 ist mit der zweiten Zelle 106 an dem Knoten 118 verbunden. Die PWM-Schaltschaltung 108 erzeugt eine Ausgangsspannung SW_out an dem Knoten 118.
In einem stabilen Zustand ist SW_out proportional zu dem Einschaltverhältnis der PWM-Schaltschaltung 108. Bei einem Einschaltverhältnis von 50% liegt SW_out bei der halben Eingangsspannung der PWM-Schaltschaltung 108. Die Ausgangsspannung Vout des Akkustapels 102 ist die Eingangsspannung der PWM-Schaltschaltung 108. Bei einem Einschaltverhältnis von 50% fließt kein Strom durch den Knoten 118, wenn die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 gleich sind. Dementsprechend kann die PWM-Schaltschaltung 108 das Einschaltverhältnis auf der Basis von Vout anpassen, um einen Zellenausgleich durchzuführen. Alternativ hierzu kann die PWM-Schaltschaltung 108 das Einschaltverhältnis auf der Basis der Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 anpassen.
Die Ausgangsspannung SW_out kann größer oder kleiner als die Hälfte von Vout sein, wenn das Einschaltverhältnis nicht bei 50% liegt. Indem entsprechend das Einschaltverhältnis angepasst wird, kann die PWM-Schaltschaltung 108 Strom über den Knoten 118 liefern oder abnehmen. Wenn die PWM-Schaltschaltung 108 Strom liefert (positive Nettostromausgabe), kann sich die erste Zelle 104 entladen und kann die zweite Zelle 106 geladen werden. Und wenn die PWM-Schaltschaltung 108 Strom abnimmt, kann sich die zweite Zelle 106 entladen und kann die erste Zelle 104 geladen werden.
Während des Ladezyklus des Akkustapels 102 kann eine schwache Zelle (z.B. die erste Zelle 104) vor einer starken Zelle (z.B. die zweite Zelle 106) vollständig geladen werden. Wenn die schwache Zelle vollständig geladen ist, liefert die PWM-Schaltschaltung 108 Strom. Die PWM-Schaltschaltung 108 überträgt eine Ladung von der schwachen Zelle zu der starken Zelle. Dadurch wird ein Überladen der schwachen Zelle verhindert.
Während des Entladezyklus des Akkustapels 102 entlädt sich die schwache Zelle schneller als die starke Zelle. Die Ausgangsspannung der schwachen Zelle fällt unter die Ausgangsspannung der starken Zelle. Die PWM-Schaltschaltung 108 nimmt Strom ab und überträgt eine Ladung von der starken Zelle zu der schwachen Zelle. Die PWM-Schaltschaltung nimmt Strom ab, bis die Ladepegel der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 beinahe gleich sind. Dadurch wird die Ausgangsspannung der ersten Zelle 104 auf einen größeren Wert als die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 106 erhöht. Auf diese Weise werden ein Überladen oder ein Umkehrladen der ersten Zelle 104 verhindert. Außerdem kann der Akkustapel 102 mehr Energie aus der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 extrahieren.
Die PWM-Schaltschaltung 108 kann in dem Dauermodus oder in dem Wahlmodus betrieben werden. In dem Dauermodus wird die PWM-Schaltschaltung 108 während des Ladens und Entladens eingeschaltet. Die PWM-Schaltschaltung 108 gleicht die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 aus. Zum Beispiel können sich die Kapazitäten der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 um ungefähr 10% unterscheiden. Die PWM-Schaltung 108 gleicht die Ausgangsspannungen durch das Liefern/Abnehmen von 5% (d.h. 10%/2) des Eingangs-/Ausgangsstroms des Akkustapels 102 aus.
In dem Dauermodus verbraucht die PWM-Schaltschaltung 108 eine kleine Strommenge. Die PWM-Schaltschaltung 108 zieht Strom aus dem Akkustapel 102 und leert somit den Akkustapel 102. Die PWM-Schaltschaltung 108 leert den Akkustapel 102, obwohl kein Netto-Ausgangs-/Eingangsstrom durch den Akkustapel 102 fließt. Zum Beispiel leert die PWM-Schaltschaltung 108 den Akkustapel 102, wenn keine Last mit dem Akkustapel 102 verbunden ist.
Die PWM-Schaltschaltung 108 kann auch in dem Wahlmodus betrieben werden. In dem Wahlmodus wird die PWM-Schaltschaltung 108 ausgeschaltet, wenn die Ladepegel der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs sind. Zum Beispiel kann der vorbestimmte Bereich zwischen 5% und 95% der Nennkapazität der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 umfassen. Die PWM-Schaltschaltung 108 wird eingeschaltet, wenn der Ladepegel der ersten oder der zweiten Zelle 104, 106 außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Zum Beispiel kann die PWM-Schaltschaltung 108 während es Ladens eingeschaltet werden, wenn die erste Zelle 104 vor der zweiten Zelle 106 auf 95% ihrer Nennkapazität geladen wird. Außerdem kann die PWM-Schaltschaltung 108 eingeschaltet werden, wenn die erste Zelle 104 vor der zweiten Zelle 106 auf weniger oder gleich 5% der Nennkapazität entladen wird.
Weiterhin muss die PWM-Schaltschaltung 108 keinen Zellenausgleich durchführen, wenn der Ladepegel der ersten Zelle 104 kleiner oder gleich 5% ist. Die PWM-Schaltschaltung 108 muss die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 nicht ausgleichen. Stattdessen kann die PWM-Schaltschaltung 108 Ladung aus der zweiten Zelle 106 verwenden, um die Ausgangsspannung der ersten Zelle 104 zu erhöhen.
Insbesondere kann die PWM-Schaltschaltung 108 Ladung von der zweiten Zelle 106 zu der ersten Zelle 104 übertragen, bis die Ladepegel der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 beinahe gleich sind. Folglich wird die Ausgangsspannung der ersten Zelle 104 größer als die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 106. Dadurch werden ein Überladen und ein Umkehrladen der ersten Zelle 104 verhindert.
Wie in 2 gezeigt, umfasst das PWM-Steuermodul 110 ein Spannungserfassungsmodul 150, ein Moduswahlmodul 152, ein Schwellwerterzeugungsmodul 154, ein Ladesteuermodul 158 und ein Signalerzeugungsmodul 162. Das Spannungserfassungsmodul 150 erfasst die Ausgangsspannung Vout des Akkustapels 102. Außerdem erfasst das Spannungserfassungsmodul 150 eine Spannung an dem Knoten 118. Die Spannung an dem Knoten 118 ist die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 106. Dementsprechend kann das Spannungserfassungsmodul 150 die Ausgangsspannung der ersten Zelle 104 bestimmen.
Durch das Erfassen der Ausgangsspannungen während des Ladens/Entladens kann das Spannungserfassungsmodul 150 erfassen, welche Zelle schwach ist. Zum Beispiel ist die erste Zelle 104 schwach, wenn sie vor der zweiten Zelle 106 zu ihrer Nennausgangsspannung geladen wird. Alternativ hierzu ist die erste Zelle 104 schwach, wenn sie mit einer schnelleren Rate als die zweite Zelle 106 entladen wird.
Das Moduswahlmodul 152 wählt den Dauermodus oder den Wahlmodus. In dem Dauermodus erzeugt das PWM-Steuermodul 110 PWM-Signale während des Ladens/Entladens unabhängig von den Ladepegeln der ersten und der zweiten Zelle 104, 106. In dem Wahlmodus erzeugt das PWM-Steuermodul 110 die PWM-Signale in Abhängigkeit von den Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106. Das Moduswahlmodul 152 schaltet Teile der PWM-Schaltschaltung 108 aus, wenn die Ausgangsspannungen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen. Die Teile der PWM-Schaltschaltung 108 werden eingeschaltet, wenn die Ausgangsspannungen außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen.
Das Schwellwerterzeugungsmodul 154 erzeugt untere und obere Schwellwerte, die den vorbestimmten Bereich definieren. Zum Beispiel kann eine Nennausgangsspannung der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 bei 3,0 V liegen. Vout kann also 6,0 V betragen, wenn die erste und die zweite Zelle 104, 106 vollständig geladen sind. Das Schwellwerterzeugungsmodul 154 kann 2,5 V und 2,95 V jeweils als unteren und oberen Schwellwert wählen. Dementsprechend kann der vorbestimmte Bereich zwischen 2,5 V und 2,95 V liegen.
Zum Beispiel kann das Schwellwerterzeugungsmodul 154 den unteren und den oberen Schwellwert wie folgt wählen. Die Ausgangsspannung der ersten oder der zweiten Zelle 104, 106 kann bei einer vollständigen Entladung etwas kleiner als 2,5 V sein. Die Ausgangsspannung der ersten oder der zweiten Zelle 104, 106 kann bei einer vollständigen Ladung etwas größer als 2,95 V sein.
Das Spannungserfassungsmodul 150 kann bestimmen, dass die erste Zelle 104 schwach ist, wenn sie vor der zweiten Zelle 106 auf 2,95 V geladen wird. Alternativ hierzu ist die erste Zelle 104 schwach, wenn beim Entladen ihre Ausgangsspannung schneller fällt als die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 106.
Das Moduswahlmodul 152 kann die Teile der PWM-Schaltschaltung 108 einschalten, wenn die erste Zelle 104 auf 2,95 V geladen ist. Außerdem kann das Moduswahlmodul 152 die Teile der PWM-Schaltschaltung 108 einschalten, wenn die erste Zelle 104 zu 2,5 V entladen ist. Die Teile der PWM-Schaltschaltung 108 werden ausgeschaltet, wenn die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 zwischen 2,5 V und 2,95 V liegen.
Während des Ladezyklus erfasst das Spannungserfassungsmodul 150, wann die erste Zelle 104 vor der zweiten Zelle 106 zu 2,95 V geladen ist. Das Ladesteuermodul 158 leitet eine Ladungsübertragung von der ersten Zelle 104 zu der zweiten Zelle 106 ein. Das Ladesteuermodul 158 bestimmt das Einschaltverhältnis der PWM-Signale für das Betreiben des ersten und des zweiten Schalters 112, 114. Das Einschaltverhältnis kann auf einer Summe der Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 (d.h. Vout) beruhen. Alternativ hierzu kann das Einschaltverhältnis auf den Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle beruhen.
Das Einschaltverhältnis bestimmt die Ein/Aus-Zeiten des ersten und des zweiten Schalters 112, 114. Das Signalerzeugungsmodul 162 erzeugt die PWM-Signale in Übereinstimmung mit dem Einschaltverhältnis. Das Signalerzeugungsmodul 162 moduliert die Pulsbreiten der PWM-Signale auf der Basis des Einschaltverhältnisses. Die zu dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 ausgegebenen PWM-Signale sind komplementär. Die PWM-Signale schalten also jeweils nur den ersten oder den zweiten Schalter 112, 114 ein. Wenn die PWM-Signale beispielsweise den ersten Schalter 112 einschalten, schalten die PWM-Signale den zweiten Schalter 114 aus (und umgekehrt) .
Weil die zweite Zelle 106 noch nicht vollständig geladen ist, ist die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 106 kleiner als 2,95 V. Zum Beispiel kann die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 206 bei 2,75 V liegen. Dementsprechend liegt Vout bei (2,95 V + 2,75 V) = 5,7 V. Bei einem Einschaltverhältnis von 50% liegt SW_out an dem Knoten 118 bei der Hälfte von 5,7 V, d.h. bei 2,85 V. SW_out ist also kleiner als die Ausgangsspannung von 2,95 V der ersten Zelle 104 und größer als die Ausgangsspannung von 2,75 V der zweiten Zelle 106.
Wenn also die PWM-Signale den ersten Schalter 112 einschalten, entlädt sich die erste Zelle 104 über den ersten Schalter 112. Der zweite Schalter 114 ist ausgeschaltet. Ein Strom fließt durch das Induktionselement 116 von dem Knoten 117 zu dem Knoten 118. Das Induktionselement 116 speichert Energie.
Dann schalten die PWM-Signale den ersten Schalter 112 aus und den zweiten Schalter 114 ein. Das Induktionselement 116 wirkt als eine Energiequelle und entlädt die gespeicherte Energie. Ein Strom fließt durch das Induktionselement 116 von dem Knoten 117 zu dem Knoten 118 und durch die zweite Zelle 106. Der zweite Schalter 114 sieht einen Pfad für den Strom vor. Das Induktionselement 116 lädt also die zweite Zelle 106 unter Verwendung der Ladung aus der ersten Zelle 104.
Die PWM-Signale betreiben den ersten und den zweiten Schalter 112, 114, bis die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 ausgeglichen sind. Die erste Zelle 104 wird nicht überladen, weil die zweite Zelle 106 auf 2,95 V geladen wird. Das Ladesteuermodul 158 stoppt den Ladezyklus, wenn das Spannungserfassungsmodul 150 erfasst, dass die erste und die zweite Zelle 104, 106 auf 2,95 V geladen sind.
Während des Entladezyklus erfasst das Spannungserfassungsmodul 150, wann die erste Zelle 104 vor der zweiten Zelle 106 auf 2,5 V entladen ist. Das Ladesteuermodul 158 leitet eine Ladungsübertragung von der zweiten Zelle 106 zu der ersten Zelle 104 ein. Das Ladesteuermodul 158 bestimmt das Einschaltverhältnis der PWM-Signale. Das Einschaltverhältnis kann auf der Summe der Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zellen 104, 106 (d.h. Vout) beruhen. Alternativ hierzu kann das Einschaltverhältnis auf den Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 beruhen.
Das Einschaltverhältnis bestimmt die EIN/AUS-Zeiten des ersten und des zweiten Schalters 112, 114. Das Signalerzeugungsmodul 162 erzeugt die PWM-Signale in Übereinstimmung mit dem Einschaltverhältnis. Das Signalerzeugungsmodul 162 moduliert die Pulsbreiten der PWM-Signale auf der Basis des Einschaltverhältnisses. Die zu dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 ausgegebenen PWM-Signale sind komplementär. Die PWM-Signale schalten also jeweils nur den ersten oder den zweiten Schalter 112, 114 ein. Wenn die PWM-Signale beispielweise den ersten Schalter 112 einschalten, schalten die PWM-Signale den zweiten Schalter 114 aus (und umgekehrt) .
Weil die zweite Zelle 106 noch nicht vollständig entladen ist, ist die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 106 größer als 2,5 V. Zum Beispiel kann die Ausgangsspannung der zweiten Zelle 106 bei 2,9 V liegen. Dementsprechend liegt Vout bei (2,5 V + 2,9 V) = 5,4 V. Bei einem Einschaltverhältnis von 50% liegt SW_out an dem Knoten 118 bei einer Hälfte von 5,4 V, d.h. bei 2,7 V. SW_out ist also größer als die Ausgangsspannung von 2,5 V der ersten Zelle 104 und kleiner als die Ausgangsspannung von 2,9 V der zweiten Zelle 106.
Wenn also die PWM-Signale den zweiten Schalter 112 einschalten, entlädt sich die zweite Zelle 106 über den zweiten Schalter 112. Der erste Schalter 112 wird ausgeschaltet. Strom fließt über das Induktionselement 116 von dem Knoten 118 zu dem Knoten 117. Das Induktionselement 116 speichert Energie.
Dann schalten die PWM-Signale den zweiten Schalter 114 aus und schalten den ersten Schalter 112 ein. Das Induktionselement 116 wirkt als Energiequelle und entlädt die gespeicherte Energie. Ein Strom fließt durch das Induktionselement 116 von dem Knoten 118 zu dem Knoten 117 und durch die erste Zelle 104. Der erste Schalter 112 sieht einen Pfad für den Strom vor. Das Induktionselement 116 lädt also die erste Zelle 104 unter Verwendung der Ladung aus der zweiten Zelle 106.
Die PWM-Signale betreiben den ersten und den zweiten Schalter 112, 114, bis die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 ausgeglichen sind. Die erste Zelle 104 wird nicht auf weniger als 2,5 V überentladen, während sich die zweite Zelle 106 entlädt und ihre Ausgangsspannung auf 2,5 V fällt. Das Ladesteuermodul 158 stoppt den Entladezyklus, wenn das Spannungserfassungsmodul 150 erfasst, dass die erste und die zweite Zelle 104, 106 auf 2,5 V entladen sind.
Der Akkustapel 102 wird also nicht ausgeschaltet, wenn sich die erste Zelle 104 auf 2,5 V entlädt. Stattdessen wird der Akkustapel 102 verwendet, um Strom zuzuführen, bis die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 auf 2,5 V fallen.
Weiterhin kann das Ladesteuermodul 158 die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 während des Entladezyklus nicht ausgleichen. Stattdessen kann das Steuermodul 158 das Einschaltverhältnis anpassen, sodass die erste Zelle 104 auf eine höhere Spannung geladen wird als die zweite Zelle 106. Die zweite Zelle 106 lädt die erste Zelle 104 also nicht umgekehrt.
Das PWM-Steuermodul 110 kann Ladungsübertragungen und einen Zellenausgleich auch auf andere Weise steuern. Zum Beispiel kann das Spannungserfassungsmodul 150 Spannungen an dem Knoten 117 anstatt oder zusätzlich zu dem Erfassen der Spannung an dem Knoten 118 erfassen. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann das PWM-Steuermodul 110 den Strom durch einen der Knoten 118, 117 erfassen.
In 3-5 sind weitere Beispiele für Leistungsverwaltungssysteme zum Steuern von Akkustapeln mit zwei Zellen, vier Zellen und sechs Zellen gezeigt. Allgemein können die Lehren der vorliegenden Erfindung auf Akkustapel mit 2N Zellen erweitert werden, wobei N eine Ganzzahl größer oder gleich 1 ist. Insbesondere kann die Basis-Zellenausgleichsschaltung mit dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 und dem Induktionselement 116 für jeweils 2 Zellen verwendet werden. Jeder ausgeglichene Stapel von zwei Zellen kann als eine neue Zelle betrachtet werden. Ein Paar von neuen Zellen kann durch eine weitere Basis-Zellenausgleichsschaltung ausgeglichen werden, wobei die PWM-Signale hierarchisch auf die neuen Zellen angewendet werden.
In 3 ist ein Leistungsverwaltungssystem 100-2 zum Steuern eines Akkustapels mit zwei Lithium-Ionen-Zellen 104-2, 106-2 gezeigt. Der gezeigte Akkustapel kann eine Ausgabe von 6,6 V bis 7,2 V erzeugen. Die Zellen 104-2, 106-2 werden durch ein PWM-Steuermodul 110-2 und die Basis-Zellenausgleichsschaltung gesteuert. Die Basis-Zellenausgleichsschaltung umfasst eine Treiberschaltung 111-2 und ein Induktionselement 116-2. Die Treiberschaltung 111-2 umfasst Schalter 112-2 und 114-2.
Ein Schalter 119 sieht einen Überentladeschutz für den Akkustapel vor. Der Schalter 119 schaltet aus, sobald die Ausgangsspannung des Akkustapels unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt. Der Akkustapel wird von einer Last getrennt, wenn der Schalter 119 ausschaltet. Dementsprechend kann die Last den Akkustapel nicht leeren und wird der Akkustapel nicht überentladen.
Die Zellen 104-2, 106-2 können jeweils der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 ähnlich sein. Die Schalter 112-2, 114-2 können jeweils dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 ähnlich sein. Das Induktionselement 116-2 kann dem Induktionselement 116 ähnlich sein. Das PWM-Steuermodul 110-2 kann die Zellen 104-2, 106-2 in ähnlicher Weise steuern wie das PWM-Steuermodul 110 die erste und die zweite Zelle 104, 106 steuert.
In 4 ist ein Leistungsverwaltungssystem 100-3 zum Steuern eines Akkustapels mit vier Zellen 130-133 gezeigt. Die Spannungserfassung ist der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die vier Zellen 130-133 werden durch ein PWM-Steuermodul 110-3 und eine Vielzahl von Basis-Zellenausgleichsschaltungen gesteuert. Die Zellen 130 und 131 werden durch eine erste Zellenausgleichsschaltung mit Schaltern 134, 135 und einem Induktionselement 136 gesteuert. Die Zellen 132 und 133 werden durch eine zweite Zellenausgleichsschaltung mit Schaltern 137, 138 und einem Induktionselement 139 gesteuert.
Die Zellen 130, 131 und die erste Zellenausgleichsschaltung können als eine erste hierarchische Zelle betrachtet werden. Die Zellen 132, 133 und die zweite Zellenausgleichsschaltung können als eine zweite hierarchische Zelle betrachtet werden. Die erste und die zweite hierarchische Zelle werden wiederum durch eine dritte Zellenausgleichsschaltung mit Schaltern 140, 141 und einem Induktionselement 142 gesteuert.
In der ersten Zellenausgleichsschaltung können die Schalter 134, 135 jeweils dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 ähnlich sein. Das Induktionselement 136 kann dem Induktionselement 116 ähnlich sein. In der zweiten Zellenausgleichsschaltung können die Schalter 137, 138 jeweils dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 ähnlich sein. Das Induktionselement 139 kann dem Induktionselement 116 ähnlich sein. Weiterhin können die Zellen 130, 131 jeweils der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 ähnlich sein. Die Zellen 132, 133 können jeweils der ersten und der zweiten Zelle 104, 106 ähnlich sein.
Das PWM-Steuermodul 110-3 kann die erste und die zweite hierarchische Zelle in ähnlicher Weise steuern wie das PWM-Steuermodul 110 die erste und die zweite Zelle 104, 106 steuert. Das PWM-Steuermodul 110-3 kann wiederum die Zellen 130, 131 in ähnlicher Weise steuern wie das PWM-Steuermodul 110 die erste und die zweite Zelle 104, 106 steuert. Außerdem kann das PWM-Steuermodul 110-3 die Zellen 132, 133 in ähnlicher Weise steuern wie das PWM-Steuermodul 110 die erste und die zweite Zelle 104, 106 steuert. Ein Schalter 143 sieht eine Überentladeschutz vor. Der Schalter 143 schaltet aus, sobald die Ausgangsspannung des Akkustapels unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt.
In 5 ist ein Leistungsverwaltungssystem 100-4 zum Steuern eines Akkustapels mit sechs Zellen 170-175 gezeigt. Die Spannungserfassung ist der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die sechs Zellen 170-175 werden durch ein PWM-Steuermodul 110-4 und eine Vielzahl von Basis-Zellenausgleichsschaltungen gesteuert. Die Basis-Zellenausgleichsschaltungen umfassen Schalter und Induktionselemente mit den Bezugszeichen 176-190. Die Schalter und Induktionselemente mit den Bezugszeichen 176-190 können dem ersten und dem zweiten Schalter 112, 114 und dem Induktionselement 116 ähnlich sein. Die Paare von Zellen 170-171, 172-173 und 174-175 können jeweils dem Paar von ersten und zweiten Zellen 104, 106 ähnlich sein.
Das PWM-Steuermodul 110-4 steuert hierarchisch die sechs Zellen 170-175 ähnlich wie das PWM-Steuermodul 110-3 hierarchisch die vier Zellen 130-133 steuert. Insbesondere werden die Zellen 170, 171 durch Schalter 176, 177 und ein Induktionselement 178 ausgeglichen. Die Zellen 172, 173 werden durch Schalter 179, 180 und ein Induktionselement 181 ausgeglichen. Die Zellen 170, 171, die Schalter 176, 177 und das Induktionselement 178 können als eine erste hierarchische Zelle betrachtet werden. Die Zellen 172, 173, die Schalter 179, 180 und das Induktionselement 181 können als eine zweite hierarchische Zelle betrachtet werden. Die erste und die zweite hierarchische Zelle werden wiederum durch Schalter 185, 186 und ein Induktionselement 187 gesteuert.
Außerdem werden die Zellen 174, 175 durch Schalter 182, 183 und ein Induktionselement 184 ausgeglichen. Die Zellen 174, 175, die Schalter 182, 183 und das Induktionselement 184 können als eine dritte hierarchische Zelle betrachtet werden. Die zweite und die dritte hierarchische Zelle werden wiederum durch Schalter 188, 189 und ein Induktionselement 190 gesteuert. Ein Schalter 191 sieht einen Überentladeschutz für den Akkustapel vor. Der Schalter 191 schaltet aus, wenn die Ausgangsspannung des Akkustapels unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt.
In 6 ist ein Flussdiagramm zu einem Verfahren 200 zum Laden eines Akkustapels gemäß der Erfindung gezeigt. Die Steuerung beginnt in Schritt 202. Die Steuerung bestimmt in Schritt 204, ob der Akkustapel geladen wird. Die Steuerung wiederholt den Schritt 204, wenn in Schritt 204 mit NEIN entschieden wird. Wenn in Schritt 204 mit JA entschieden wird, bestimmt die Steuerung in Schritt 206, ob eine schwache Zelle des Akkustapels beinahe vollständig geladen ist.
Wenn in Schritt 206 mit JA entschieden wird, passt die Steuerung das Einschaltverhältnis der PWM-Steuerung in Schritt 208 an. Die Steuerung passt das Einschaltverhältnis auf der Basis einer Differenz in den Ladepegeln (d.h. in den Ladezuständen) der schwachen Zelle und einer starken Zelle an. Alternativ hierzu passt die Steuerung das Einschaltverhältnis auf der Basis einer Differenz in den Ausgangsspannungen der schwachen Zelle und der starken Zelle an. In Schritt 210 entlädt die Steuerung die schwache Zelle und lädt die starke Zelle in Übereinstimmung mit dem Einschaltverhältnis, bis die Ausgangsspannungen der schwachen und der starken Zelle ausgeglichen sind.
Am Ende von Schritt 210 oder wenn in Schritt 206 mit NEIN entschieden wird, bestimmt die Steuerung in Schritt 212, ob die Zellen in dem Akkustapel beinahe vollständig geladen sind. Die Steuerung fährt in Schritt 214 fort, die Zellen des Akkustapels zu laden, wenn in Schritt 212 mit NEIN entschieden wird, wobei die Steuerung dann zu Schritt 206 zurückkehrt. Die Steuerung stoppt das Laden der Zellen des Akkustapels in Schritt 216, wenn in Schritt 212 mit JA entschieden wird, wobei die Steuerung dann in Schritt 218 beendet wird. Die Steuerung lädt also die Zellen des Akkustapels zu beinahe vollständig geladenen Zuständen auf und verhindert dabei ein Überladen der schwachen Zellen.
In 7 ist ein Flussdiagramm zu einem Verfahren 250 zum Entladen eines Akkustapels gemäß der Erfindung gezeigt. Die Steuerung beginnt in Schritt 252. Die Steuerung bestimmt in Schritt 254, ob der Akkustapel entladen wird (d.h. Strom zu einer Last zuführt). Die Steuerung wiederholt den Schritt 254, wenn in Schritt 254 mit NEIN entschieden wird. Wenn in Schritt 254 mit JA entschieden wird, bestimmt die Steuerung in Schritt 256, ob eine schwache Zelle des Akkustapels beinahe vollständig entladen ist.
Wenn in Schritt 256 mit JA entschieden wird, passt die Steuerung das Einschaltverhältnis der PWM-Steuerung in Schritt 258 an. Die Steuerung passt das Einschaltverhältnis auf der Basis einer Differenz in den Ladepegeln (d.h. Ladezuständen) der schwachen Zelle und einer starken Zelle an. Alternativ hierzu passt die Steuerung das Einschaltverhältnis auf der Basis einer Differenz in den Ausgangsspannungen der schwachen Zelle und der starken Zelle an.
In Schritt 260 entlädt die Steuerung die starke Zelle und lädt die schwache Zelle in Übereinstimmung mit dem Einschaltverhältnis, bis die Ausgangsspannungen der schwachen und der starken Zelle ausgeglichen sind. Alternativ hierzu passt die Steuerung das Einschaltverhältnis an und lädt die schwache Zelle, bis die Ladepegel der schwachen Zelle und der starken Zelle ausgeglichen sind. Folglich wird die Ausgangsspannung der schwachen Zelle größer als die Ausgangsspannung der starken Zelle.
Am Ende von Schritt 260 oder wenn in Schritt 256 mit NEIN entschieden wird, bestimmt die Steuerung in Schritt 262, ob die Zellen in dem Akkustapel beinahe vollständig entladen sind. Die Steuerung fährt in Schritt 264 fort, Strom von dem Akkustapel zu einer Last zuzuführen, wenn in Schritt 262 mit NEIN entschieden wird, wobei die Steuerung dann zu Schritt 256 zurückkehrt. Die Steuerung stoppt das Entladen der Zellen des Akkustapels in Schritt 266, wenn in Schritt 262 mit JA entschieden wird, wobei die Steuerung dann in Schritt 268 beendet wird.
Die Steuerung verhindert also ein Überladen, ein Überentladen und ein umgekehrtes Laden der schwachen Zellen in dem Akkustapel. Außerdem führt die Steuerung Strom von dem Akkustapel zu der Last zu, bis die Zellen des Akkustapels beinahe vollständig entladen sind.
In 8 ist ein Leistungsverwaltungssystem 300 zum Steuern eines Akkustapels unter Verwendung einer gestaffelten Topologie gezeigt. Der Akkustapel kann N in Reihe verbundene Zellen umfassen, wobei N eine Ganzzahl größer 1 ist. Zum Beispiel umfasst der Akkustapel sechs Zellen 302, 304, 306, 308, 310, 312. Die sechs Zellen sind wie gezeigt in Reihe verbunden.
Das Leistungsverwaltungssystem 300 umfasst eine PWM-Schaltschaltung, die den Akkustapel steuert. Die PWM-Schaltschaltung umfasst ein PWM-Steuermodul 320 und (N-1) Basis-Zellenausgleichsschaltungen. Die PWM-Schaltschaltung umfasst also (N-1) Sätze aus einer Treiberschaltung und einem Induktionselement, die jeweils der Treiberschaltung 111 und dem Induktionselement 116 von 1 ähnlich sind. Wenn das Leistungsverwaltungssystem 300 zum Beispiel sechs Zellen umfasst, umfasst das Leistungsverwaltungssystem 300 fünf Treiberschaltungen 322, 324, 326, 328, 330 und fünf Induktionselemente 332, 334, 336, 338, 340. Die Treiberschaltungen 322, 324, 326, 328, 330 können Niederspannungstreiber enthalten.
Das PWM-Steuermodul 320 betreibt ein Paar von Schaltern in jeder der Treiberschaltungen 322, 324, 326, 328, 330 mit einem anpassbaren Einschaltverhältnis. Die Schalter in jeder der Treiberschaltungen 322, 324, 326, 328, 330 sind den Schaltern 112, 114 der Treiberschaltung 111 von 1 ähnlich. Auf der Basis des Einschaltverhältnisses übertragen die Treiberschaltung 322 und das Induktionselement 332 eine Ladung zwischen den Zellen 302, 304, um die Ausgangsspannungen der Zellen 302, 304 während des Ladens und Entladens auszugleichen. Die Treiberschaltung 324 und das Induktionselement 334 übertragen Ladung zwischen den Zellen 304, 306, um die Ausgangsspannungen der Zellen 304, 306 während des Ladens und Entladens auszugleichen, usw.
Wenn zum Beispiel ein Ladepegel der Zelle 302 kleiner ist als der Ladepegel der Zelle 304, übertragen die Treiberschaltung 322 und das Induktionselement 332 Ladung von der Zelle 304 zu der Zelle 302. Aufgrund der Ladungsübertragung kann jedoch der Ladepegel der Zelle 304 kleiner werden als der Ladepegel der Zelle 306. Dementsprechend können die Treiberschaltung 324 und das Induktionselement 334 Ladung von der Zelle 306 zu der Zelle 304 übertragen usw. Obwohl hier nicht gezeigt, kann ein dem Schalter 119 ähnlicher Schalter verwendet werden, um einen Überentladeschutz für den Akkustapel vorzusehen.
In 9 ist ein Leistungsverwaltungssystem 400 zum Steuern eines Akkustapels unter Verwendung einer parallelen Topologie für die Stromzufuhr gezeigt. Der Akkustapel kann N in Reihe verbundene Zellen umfassen, wobei N eine Ganzzahl größer 1 ist. Zum Beispiel umfasst der Akkustapel sechs Zellen 402, 404, 406, 408, 410, 412. Die sechs Zellen sind wie gezeigt in Reihe verbunden.
Das Leistungsverwaltungssystem 400 umfasst eine PWM-Schaltschaltung, die den Akkustapel steuert. Die PWM-Schaltschaltung umfasst ein PWM-Steuermodul 420 und (N-1) Basis-Zellenausgleichsschaltungen. Die PWM-Schaltschaltung umfasst also (N-1) Sätze aus einer Treiberschaltung und einem Induktionselement, die jeweils der Treiberschaltung 111 und dem Induktionselement 116 von 16 ähnlich sind. Weil das Leistungsverwaltungssystem 400 zum Beispiel sechs Zellen umfasst, umfasst das Leistungsverwaltungssystem 400 fünf Treiberschaltungen 422, 424, 426, 428, 330 und fünf Induktionselemente 432, 434, 436, 438, 440. Die Treiberschaltungen 422, 424, 426, 428, 330 können Hochspannungstreiber enthalten.
Jede der Treiberschaltungen 422, 424, 426, 428, 330 ist parallel mit dem Ausgang des Akkustapels verbunden. Insbesondere ist jede der Treiberschaltungen 422, 424, 426, 428, 330 wie gezeigt über zwei äußere Anschlüsse 401-1, 402-2 des Akkustapels verbunden.
Das PWM-Steuermodul 420 betreibt ein Paar von Schaltern in jeder der Treiberschaltungen 422, 424, 426, 428, 330 mit einem anpassbaren Einschaltverhältnis. Die Schalter in jeder der Treiberschaltungen 422, 424, 426, 428, 330 sind jeweils den Schaltern 112, 114 der Treiberschaltung 111 von 1 ähnlich. Auf der Basis des Einschaltverhältnisses übertragen die Treiberschaltung 422 und das Induktionselement 432 eine Ladung zwischen den Zellen 402, 404, um die Ausgangsspannungen der Zellen 402, 404 während des Ladens und Entladens auszugleichen. Die Treiberschaltung 424 und das Induktionselement 434 übertragen eine Ladung zwischen den Zellen 404, 406, um die Ausgangsspannungen der Zellen 404, 406 während des Ladens und Entladens auszugleichen, usw. Wie in 9 gezeigt, kann das PWM-Steuermodul 420 die Treiberschaltungen 422, 424, 426, 428, 330 separat und parallel betreiben und/oder auf andere Weise steuern.
Wenn zum Beispiel ein Ladepegel der Zelle 402 kleiner ist als der Ladepegel der Zelle 404, übertragen die Treiberschaltung 422 und das Induktionselement 432 Ladung von der Zelle 404 zu der Zelle 402. Aufgrund der Ladungsübertragung kann der Ladepegel der Zelle 404 jedoch kleiner als der Ladepegel der Zelle 406 werden. Dementsprechend können die Ladeschaltung 424 und das Induktionselement 434 Ladung von der Zelle 406 zu der Zelle 404 übertragen usw. Obwohl nicht gezeigt, kann ein dem Schalter 119 ähnlicher Schalter verwendet werden, um einen Überentladeschutz für den Akkustapel vorzusehen.
In 8 und 9 kann sich die maximale Anzahl der Zellen in den Akkustapeln (d.h. der Maximalwert von N) in den Leistungsverwaltungssystemen 300, 400 unterscheiden. Zum Beispiel kann der Maximalwert von N in dem Leistungsverwaltungssystem 300 größer als der Maximalwert von N in dem Leistungsverwaltungssystem 400 sein.
Die Lehren der Erfindung können auf verschiedene Weise implementiert werden. Vorstehend wurden spezifische Beispiele beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt ist. Der Erfindungsumfang ist durch die beigefügten Patentansprüche bestimmt.

Claims

Ladeausgleichssystem, das umfasst: N Schaltungen, die jeweils enthalten: einen ersten und einen zweiten Schalter (112, 114), die in Reihe verbunden sind; und ein Induktionselement (116) mit einem ersten Ende, das zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter (112, 114) verbunden ist; ein Steuermodul (110), das Steuersignale zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters (112, 114) ausgibt, wobei N eine Ganzzahl größer oder gleich 1 ist, wobei ein zweites Ende des Induktionselements (116) einer ersten der N Schaltungen zwischen zwei Zellen (104, 106) eines ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen eines Akkustapels (102) verbunden ist, und wobei der erste und der zweite Schalter (112, 114) der ersten der N Schaltungen parallel mit dem ersten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden sind, und wobei das Steuermodul (110) eine Ladung zwischen den zwei Zellen (104, 106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement (116) überträgt, bis die Differenz zwischen den entsprechenden Ausgangsspannungen der zwei Zellen des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellwert ist; und einen Steuerschalter, der den Akkustapel (102) trennt, wenn die Ausgangsspannung des Akkustapels auf weniger als eine vorbestimmte Spannung fällt.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (110) eine Ladung zwischen den zwei Zellen (104, 106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement (116) auf der Basis des Einschaltverhältnisses der Steuersignale während eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels überträgt.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei wenn eine erste Zelle (104) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen schneller geladen wird als eine zweite Zelle (106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen, das Steuermodul (110) eine erste Ladung von der ersten Zelle (104) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen zu der zweiten Zelle (106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen über das Induktionselement (116) auf der Basis des Einschaltverhältnisses der Steuersignale überträgt.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 3, wobei das Steuermodul (110) die erste Ladung überträgt, wenn der Ladezustand der ersten Zelle (104) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen um einen ersten vorbestimmten Schwellwert kleiner als ein vollständig geladener Zustand ist.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 4, wobei das Steuermodul (110) eine zweite Ladung von der zweiten Zelle (106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen zu der ersten Zelle (104) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen während eines Entladezyklus überträgt, wenn der Ladezustand um einen zweiten vorbestimmten Schwellwert größer als ein vollständig entladener Zustand ist.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 5, wobei das Steuermodul (110) die zweite Ladung überträgt, bis eine erste Ausgangsspannung der ersten Zelle (104) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen größer als eine zweite Ausgangsspannung der zweiten Zelle (106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen ist.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (110) das Einschaltverhältnis der Steuersignale auf der Basis der Ausgangsspannung des Akkustapels (102) während eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels (102) anpasst.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 1, das weiterhin ein Spannungserfassungsmodul (115) umfasst, das eine erste Spannung über dem ersten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen erfasst, eine zweite Spannung an dem zweiten Ende des Induktionselements (116) erfasst und jeweils die Ausgangsspannungen der zwei Zellen (104, 106) des ersten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen auf der Basis der ersten und der zweiten Spannung bestimmt.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 8, wobei das Steuermodul (110) das Einschaltverhältnis der Steuersignale auf der Basis wenigstens einer der Ausgangsspannungen während eines Lade- und/oder eines Entladezyklus des Akkustapels (102) anpasst.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 1, das weiterhin ein Signalerzeugungsmodul (162) umfasst, das die Steuersignale erzeugt und die Pulsbreiten der Steuersignale auf der Basis des durch das Steuermodul (110) bestimmten Einschaltverhältnisses moduliert.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei: N größer oder gleich 3 ist, ein zweites Ende eines Induktionselements einer zweiten der N Schaltungen zwischen den zwei Zellen eines zweiten Paares von 2N in Reihe verbundenen Zellen des Akkustapels verbunden ist, ein erster und ein zweiter Schalter der zweiten der N Schaltungen parallel mit dem zweiten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden sind, das erste und das zweite Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen in Reihe verbunden sind, und der zweite Schalter der ersten der N Schaltungen mit dem ersten Schalter der zweiten der N Schaltungen verbunden ist.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 11, wobei: ein zweites Ende eines Induktionselements einer dritten der N Schaltungen zwischen dem zweiten und dem ersten Schalter jeweils der ersten und der zweiten der N Schaltungen verbunden ist, und ein erster und ein zweiter Schalter der dritten der N Schaltungen parallel mit dem ersten und dem zweiten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden sind.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 12, wobei wenn N größer oder gleich 5 ist, ein zweites Ende eines Induktionselements einer vierten der N Schaltungen zwischen zwei der Zellen eines dritten Paars von 2N in Reihe verbundenen Zellen des Akkustapels verbunden ist, ein erster und ein zweiter Schalter der vierten der N Schaltungen parallel mit dem dritten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden sind, der zweite Schalter der vierten der N Schaltungen mit dem ersten Schalter der ersten der N Schaltungen verbunden ist, und das dritte Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen in Reihe mit dem ersten und dem zweiten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden ist.
Ladeausgleichssystem nach Anspruch 13, wobei: ein zweites Ende eines Induktionselements einer fünften der N Schaltungen zwischen dem zweiten und dem ersten Schalter jeweils der vierten und der ersten der N Schaltungen verbunden ist, und ein erster und ein zweiter Schalter der fünften der N Schaltungen parallel mit dem dritten und dem ersten Paar von 2N in Reihe verbundenen Zellen verbunden sind.