DE112016001556T5

DE112016001556T5 - Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung

Info

Publication number: DE112016001556T5
Application number: DE112016001556.9T
Authority: DE
Inventors: Masatsuru Miyazaki; Norio Fukui
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2017-12-28
Also published as: US11095128B2; US20180019600A1; KR20170130577A; JP6509005B2; KR101975139B1; WO2016158031A1; CN107710544A; JP2016189665A

Abstract

Eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet mehrere Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n, die eins-zu-eins mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen B1 bis Bn entsprechen, und eine Steuerschaltung 10, die eingerichtet ist, die mehreren Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n auf Grundlage der Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen B1 bis Bn zu steuern. Die mehreren Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n beinhalten erste Spulen L11 bis L1n, die jeweils mit den Energiespeicherzellen B1 bis Bn parallelgeschaltet sind, Feldeffekttransistoren Q1 bis Qn, die eingerichtet sind, Verbindungen der ersten Spulen L11 bis L1n mit den jeweiligen Energiespeicherzellen B1 bis Bn gesteuert durch die Steuerschaltung 10 An/Aus zu schalten, und zweite Spulen L21 bis L2n, die mit den ersten Spulen L11 bis L1n jeweils magnetisch gekoppelt sind. Bei den mehreren Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n sind die zweiten Spulen L21 bis L2n parallelgeschaltet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, die Spannungen mehrerer in Reihe geschalteter Energiespeicherzellen ausgleicht.
Technischer Hintergrund
Weitverbreitet wird in verschiedenen Bereichen eine Technik zum Treiben einer Lastvorrichtung mit elektrischer Energie eingesetzt, welche in mehreren Energiespeicherzellen gespeichert ist, beispielsweise in Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Lithiumionen-Akkumulatoren, und Kondensatoren, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Ihrer Natur gemäß sind im Allgemeinen bei mehreren, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen Spannungen der Energiespeicherzellen nicht immer gleich. Wenn sich zudem bei den mehreren, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen Spannungen jeder Energiespeicherzelle in einem uneinheitlichen Zustand befinden, besteht die Gefahr, dass manche der Energiespeicherzellen beim Laden oder Entladen übermäßig geladen oder übermäßig entladen werden. Ein wohl-bekanntes Beispiel aus dem Stand der Technik zur Lösung eines derartigen Problems ist eine Spannungsausgleichsschaltung für Reihenzellen die mehrere, zueinander in Reihe geschaltete, Energiespeicherzellen, und mehrere Transformatorspulen umfasst, die auf einen einzelnen Magnetkern mit der gleichen Anzahl von Wicklungen aufgewickelt sind, wobei Transformationsverhältnisse zueinander von 1:1 bestehen, wobei die mehreren Energiespeicherzellen und die mehreren Transformatorspulen jeweils über Schalter verbunden sind, die einen AN/AUS-Betrieb durchführen, die miteinander verriegelt sind, so dass Spannungen der Zellen ausgeglichen werden (vgl. beispielsweise Patentdokument 1). Ein weiteres wohl-bekanntes Beispiel aus dem Stand der Technik zur Lösung des oben beschriebenen Problems ist eine mehrfach-reihengeschaltete Energiespeicherzelle aufweisend eine Zwischenzellen-Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, bei der die mehrfach-reihengeschaltete Energiespeicherzelle in mehrere Reihenzellgruppen unterteilt ist, die nacheinander in einer Anschlussreihenfolge angeordnet sind, um eine Spannungsausgleichskorrektur zwischen benachbarten Zellen in jeder der Zellgruppen durchzuführen, und ferner eine Zwischengruppen-Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung zur Durchführung einer Ausgleichskorrektur an Reihenspannung für jede Zellgruppe vermittels einer AC-Kopplung, welche durch Transformatorspulen und Schaltkreisen gebildet ist (vgl. beispielsweise Patentdokument 2).
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2008-005630
Patentdokument 2: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2008-035680

Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Jedoch haben die Beispiele des in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbarten Stands der Technik jeweils eine Ausgestaltung, bei der eine hohe Anzahl von Spulen um einen einzelnen Kern gewickelt ist, wodurch ein Problem dahingehend besteht, dass die Ausgestaltungen individuell gemäß der Anzahl der beabsichtigten Energiespeicherzellen entworfen und hergestellt werden müssen, weshalb sie eine geringe Einsatzflexibilität haben. Zudem haben die Beispiele des oben beschriebenen Stands der Technik jeweils die Ausgestaltung, bei der eine hohe Anzahl von Spulen um einen einzelnen Kern gewickelt sind, wodurch ein Problem dahingehend besteht, dass es oftmals schwierig ist, der Ausgestaltung zu einem späteren Zeitpunkt eine Energiespeicherzelle hinzufügen oder zu entnehmen, und dass es schwierig ist, die Ausgestaltungsflexibilität hoch bzw. herunter zu skalieren, mit anderen Worten eine geringe Skalierbarkeit. Die vorliegende Erfindung erfolgte in Anbetracht solcher Umstände und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung mit hoher Einsatzflexibilität und Skalierbarkeit anzugeben.
Mittel zur Lösung der Aufgaben
<Erster Aspekt der vorliegenden Erfindung>
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, umfassend: mehrere Spannungskorrekturschaltungen, die eins-zu-eins mehreren zueinander in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen entsprechen; und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die mehreren Spannungskorrekturschaltungen auf Grundlage von Spannungen der jeweiligen Energiespeicherzellen zu steuern, wobei die mehreren Spannungskorrekturschaltungen jeweils eine erste Spule, die mit einer entsprechenden Energiespeicherzelle parallelgeschaltet ist, einen Schalter, der eingerichtet ist, die Verbindung der ersten Spule mit der entsprechenden Energiespeicherzelle gesteuert durch die Steuerschaltung an-/auszuschalten, und eine zweite Spule, die mit der ersten Spule magnetisch gekoppelt ist, aufweisen, und bei den mehreren Spannungskorrekturschaltungen die zweiten Spulen der jeweiligen Spannungskorrekturschaltungen miteinander parallelgeschaltet sind.
Zum Beispiel wird der Schalter AN/AUS der Spannungskorrekturschaltung, welche der Energiespeicherzelle mit der vergleichsweise hohen Spannung entspricht, in zufälligen Abständen gewechselt, und der Schalter der Spannungskorrekturschaltung, welche der Energiespeicherzelle mit der vergleichsweise niedrigen Spannung entspricht, wird in einem gleichrichtenden Zustand gehalten. Hierbei meint das Halten eines Schalters in einem gleichgerichteten Zustand, dass ein Zustand beibehalten wird, bei dem eine AN/AUS-Ansteuerung des Halbleiterschalters wie beispielsweise eines Transistors nicht erfolgt. In dem Zustand, in dem die AN/AUS-Ansteuerung nicht erfolgt, hat der Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor, eine Eigenschaft, die bewirkt, dass nur dann Strom gegen die zwischen einer positiven Spannung und einer negativen Spannung wechselnden Wechselspannung fließt, wenn eine der Spannungen angelegt wird, und bewirkt, dass Strom nicht fließt, wenn die andere Spannung angelegt wird. Dies wird durch ein Element verursacht, welches in dem Halbleiterschalter beinhaltet ist, beispielsweise einem Transistor, und ein Element, das derart wirkt, wird unvermeidbar in einem Verfahren zur Herstellung des Halbleiterschalters, wie eines Transistors, erzeugt.
Bei der Spannungskorrekturschaltung entsprechend der Energiespeicherzelle mit einer vergleichsweise hohen Spannung ist eine Spannung der zweiten Spule geringer als eine Spannung der ersten Spule, weshalb elektrische Energie, die von der Energiespeicherzelle abgegeben wird, in magnetische Energie umgewandelt wird und von der ersten Spule auf die zweie Spule übertragen wird, so dass es in der zweiten Spule zu einer induzierten Spannung kommt und ein Wechselstrom fließt. Bei der Vielzahl der Spannungskorrekturschaltungen sind die zweiten Spulen der jeweiligen Spannungskorrekturschaltungen miteinander parallelgeschaltet. Deshalb bewirkt der Wechselstrom, der durch die zweite Spule der Spannungskorrekturschaltung fließt, die der Energiespeicherzelle mit einer vergleichsweise hohen Spannung entspricht, dass Wechselströme mit der gleichen Spannung durch die zweiten Spulen der Spannungskorrekturschaltungen fließen, die den Energiespeicherzellen mit den vergleichsweise geringen Spannungen entsprechen. Dann ist in der Spannungskorrekturschaltung, die der Energiespeicherzelle mit einer vergleichsweise geringen Spannung entspricht, eine Spannung der zweiten Spule höher als eine Spannung der ersten Spule, weshalb elektrische Energie eines durch die zweite Spule fließenden Wechselstroms in magnetische Energie umgewandelt wird und von der zweiten Spule auf die erste Spule übertragen wird, so dass es in der ersten Spule zu einer induzierten Spannung kommt, wodurch eine Energiespeicherzelle mit der vergleichsweise niedrigen Spannung geladen wird.
Mit anderen Worten werden elektrische Ströme von der Energiespeicherzelle mit der vergleichsweise hohen Spannung den Energiespeicherzellen mit den vergleichsweise niedrigen Spannungen zugeführt, indem das AN/AUS des Schalters der Spannungskorrekturschaltung, die der Energiespeicherzelle mit der vergleichsweise hohen Spannung entspricht, mit zufälligen Abständen gewechselt wird und dann Schalter der Spannungskorrekturschaltungen, die den Energiespeicherzellen mit vergleichsweise geringen Spannungen entsprechen, in einem gleichrichtenden Zustand gehalten werden. Dies bewirkt, dass die Energiespeicherzelle mit einer vergleichsweise hohen Spannung entladen wird, um so eine verringerte Spannung zu haben, und dass die Energiespeicherzellen mit vergleichsweise geringen Spannungen aufgeladen werden, um so erhöhte Spannungen zu haben, wodurch Spannungsdifferenzen zwischen den Energiespeicherzellen verringert werden und schließlich die Spannungen der Energiespeicherzellen ausgeglichen werden können.
Die mehreren Spannungskorrekturschaltungen entsprechen eins-zu-eins den mehreren, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen. Zudem erfolgen elektrische Verbindungen zwischen den mehreren Spannungskorrekturschaltungen nur durch die Parallelschaltung der zweiten Spulen. Aus diesem Grund ist es bei dem Entwurf und der Herstellung der Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung ausreichend, lediglich die Anzahl der beabsichtigten Energiespeicherzellen zu berücksichtigen, die gleiche Anzahl der Spannungskorrekturschaltungen vorzusehen, und die zweiten Spulen der Spannungskorrekturschaltungen parallelzuschalten. Im Ergebnis hat die Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wenige Elemente, die individuell gemäß der Anzahl der beabsichtigten Energiespeicherzellen entworfen und hergestellt werden müssen, weshalb eine hohe Einsatzflexibilität erzielt werden kann.
Zudem, in einem Fall, bei dem zu einem späteren Zeitpunkt eine oder mehr Speicherzellen hinzugefügt werden, ist es ausreichend, lediglich eine oder mehr entsprechende Spannungskorrekturschaltungen gemäß einer Anzahl der einen oder mehr hinzuzufügenden Energiespeicherzelle(n) hinzuzufügen und eine oder mehr zweite Spule(n) der hinzugefügten einen oder mehr Spannungskorrekturschaltung(en) mit den zweiten Spulen der bestehenden Spannungskorrekturschaltungen parallelzuschalten. Im Gegensatz hierzu, in einem Fall, bei dem zu einem späteren Zeitpunkt eine oder mehr Energiespeicherzellen entfernt werden, ist es ausreichend, nur eine oder mehr entsprechende Spannungskorrekturschaltungen gemäß einer Anzahl der entfernten einen oder mehr Speicherzelle(n) zu entfernen und eine Verbindung von einer oder mehr zweiten Spule(n) der entfernten einen oder mehr Spannungskorrekturschaltung(en) zu trennen. Im Ergebnis ermöglicht die Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, dass eine oder mehr Energiespeicherzelle(n) zu einem späteren Zeitpunkt auf einfache Wiese hinzugefügt oder entfernt werden können, wodurch eine hohe Skalierbarkeit erreicht wird. Auf diese Weise ist es gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich, einen Betriebsvorteil dahingehend zu erhalten, eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung mit hoher Einsatzflexibilität und Skalierbarkeit bereitzustellen.
<Zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung>
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, wobei, in dem vorgenannten ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Steuereinheit das AN/AUS eines Schalters einer Spannungskorrekturschaltung aus der Vielzahl von Spannungskorrekturschaltungen, die einer Energiespeicherzelle mit der höchsten Spannung aus der Vielzahl von Energiespeicherzellen entspricht, abwechselt und unterdessen Schalter von Spannungskorrekturschaltungen in einem gleichgerichteten Zustand hält, wobei die Spannungskorrekturschaltungen jeweils anderen Energiespeicherzellen entsprechen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, da eine Energiespeicherzelle der Mehrzahl von Energiespeicherzellen mit der höchsten Spannung entladen wird, um eine verringerte Spannung zu haben, und andere Energiespeicherzellen geladen werden, um erhöhte Spannungen zu haben, wodurch eine Differenz zwischen den Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen in kurzer Zeit und wirksam verringert werden kann. Dies kann die Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen in kurzer Zeit ausgleichen.
Dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, wobei, in dem vorgenannten zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Steuerschaltung eine Energiespeicherzelle, die der Spannungskorrekturschaltung entspricht, deren Schalter in einem gleichgerichteten Zustand zu halten ist, gemäß Spannungen der Energiespeicherzellen auswählt.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, unnötiges Laden/Entladen der Energiespeicherzellen beim Ausgleichen der Spannungen von jeder Energiespeicherzelle in den mehreren Energiespeicherzellen zu verringern, wodurch die Spannungen von jeder Energiespeicherzelle in den mehreren Energiespeicherzellen in kürzerer Zeit und auf effizientere Weise ausgeglichen werden können.
Vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, wobei, in einem Aspekt der vorgenannten ersten bis dritten Aspekte der vorliegenden Erfindung, jede der Mehrzahl von Spannungskorrekturschaltungen eine Schaltertreiberschaltung aufweist, die eingerichtet ist, einen elektrischen Strom einer entsprechenden Energiespeicherzelle zu betreiben, den Schalter an bzw. auszuschalten.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, da jede der Spannungskorrekturschaltungen mit einer Schaltertreiberschaltung versehen ist, die eingerichtet ist, einen elektrischen Strom einer entsprechenden Energiespeicherzelle zu betreiben, um den Schalter an bzw. auszuschalten, wobei auf eine externe Energieversorgungsvorrichtung oder andere Vorrichtungen zum An- bzw. Ausschalten des Schalters verzichtet wird, ist es möglich, eine Größe der Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung zu verringern und eine Energieeinsparung dieser Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung zu erzielen.
Fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, wobei in einem Aspekt der vorgenannten ersten bis vierten Aspekte der vorliegenden Erfindung, die Spannungskorrekturschaltung eine isolierte Durchflusswandler-Schaltung ist, die von der ersten Spule als Primärwicklung und der zweiten Spule als Sekundärwicklung gebildet wird.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung, da der Zeitpunkt wenn Ströme fließen bei den ersten Spulen (Primärwicklungen) und den zweiten Spulen (Sekundärwicklungen) der gleiche ist, was es erleichtert, einen Zeitpunkt der AN/AUS Steuerung über die Schalter durch die Steuerschaltung festzulegen, ist es möglich, die Spannungen der mehreren Energiespeicherzellen mit höherer Genauigkeit auszugleichen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Betriebsvorteil dahingehend zu erhalten, eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung mit höherer Einsatzflexibilität und Skalierbarkeit bereitzustellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das wesentliche Teile einer mehrfach in Reihe geschalteten Hochspannungs-Energiespeichereinheit darstellt.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer spezifischeren Ausgestaltung einer Spannungskorrekturschaltung darstellt.
3 ist ein Zeitdiagramm einer Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung beinhaltend Spannungskorrekturschaltungen, wobei eine isolierte Durchflusswandler-Schaltung zum Einsatz kommt.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein weiteres Beispiel einer spezifischeren Ausgestaltung der Spannungskorrekturschaltung darstellt.
Modus zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die unten beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, und verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie hier beschrieben und beansprucht, vorgenommen werden können.
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das wesentliche Teile einer mehrfach in Reihe geschalteten Hochspannungs-Energiespeichereinheit darstellt.
Die mehrfach in Reihe geschaltete Hochspannungs-Energiespeichereinheit beinhaltet eine Steuerschaltung 10, ein Energiespeichermodul 20, und eine Anzahl n von Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n. Das Energiespeichermodul 20 als „mehrere Energiespeicherzellen“ beinhaltet eine Anzahl n von in Reihe geschalteten, Energiespeicherzellen B1 bis Bn. Die Energiespeicherzellen B1 bis Bn sind beispielsweise wiederaufladbare Akkumulatoren oder Energiespeicherelemente wie beispielsweise Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Lithiumionen-Akkumulatoren, und Kondensatoren.
Eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Steuerschaltung 10 und die Anzahl n von Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n gebildet. Die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n als „mehrere Spannungskorrekturschaltungen“ haben alle eine identische Schaltungskonfiguration und entsprechen eins-zu-eins der Anzahl n der in Reihe geschalteten, Energiespeicherzellen B1 bis Bn.
Eine Spannungskorrekturschaltung 11 beinhaltet eine Spule L11, eine Spule L21, einen Kern M1, einen Feldeffekttransistor (FET) Q1, und einen Treiber DR1. Die Spule L11 als „eine erste Spule“ ist mit einer entsprechenden Energiespeicherzelle B1 parallelgeschaltet. Der Feldeffekttransistor Q1 als „ein Schalter“ schaltet die Verbindung der Spule L11 zu der Energiespeicherzelle B1 gesteuert durch die Steuerschaltung 10 an bzw. aus. Die Spule L21 als „zweite Spule“ ist mit der Spule L11 über den Kern M1, der aus einer magnetischen Substanz gefertigt ist, magnetisch gekoppelt, um einen Transformator zu bilden. Der Treiber DR1 als „eine Schaltertreiberschaltung“ betreibt einen elektrischen Strom der Energiespeicherzelle B1 und schaltet den Feldeffekttransistor Q1 an bzw. aus.
Eine Spannungskorrekturschaltung 12 beinhaltet eine Spule L12, eine Spule L22, einen Kern M2, einen Feldeffekttransistor Q2, und einen Treiber DR2. Die Spule L12 als „eine erste Spule“ ist mit einer entsprechenden Energiespeicherzelle B2 parallelgeschaltet. Der Feldeffekttransistor Q2 als „ein Schalter“ schaltet die Verbindung der Spule L12 zu der Energiespeicherzelle B2 gesteuert durch die Steuerschaltung 10 an bzw. aus. Die Spule L22 als „eine zweite Spule“ ist mit der Spule L12 über den Kern M2, der aus dem magnetischen Werkstoff gefertigt ist, magnetisch gekoppelt, um einen Transformator zu bilden. Der Treiber DR2 als „eine Schaltertreiberschaltung“ betreibt einen elektrischen Strom der Energiespeicherzelle B2 und schaltet den Feldeffekttransistor Q2 an bzw. aus.
Eine Spannungskorrekturschaltung 1n beinhaltet eine Spule L1n, eine Spule L2n, einen Kern Mn, einen Feldeffekttransistor Qn, und einen Treiber DRn. Die Spule L1n als „eine erste Spule“ ist mit einer entsprechenden Energiespeicherzelle Bn parallelgeschaltet. Der Feldeffekttransistor Qn als „ein Schalter“ schaltet die Verbindung der Spule L1n zu der Energiespeicherzelle Bn gesteuert durch die Steuerschaltung 10 ein bzw. aus. Die Spule L2n als „eine zweite Spule“ ist mit der Spule L1n über den Kern Mn, der aus dem magnetischen Werkstoff gefertigt ist, magnetisch gekoppelt, um einen Transformator zu bilden. Der Treiber DRn als „eine Schaltertreiberschaltung“ betreibt einen elektrischen Strom der Energiespeicherzelle Bn und schaltet den Feldeffekttransistor Qn an bzw. aus.
Durch die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n mit der oben beschriebenen Ausgestaltung sind die Spulen L21 bis L2n miteinander parallelgeschaltet.
Das Windungsverhältnis zwischen den Spulen L11 bis L1n und den Spulen L21 bis L2n ist nicht spezifisch auf 1:1 beschränkt und kann in angemessener Form gemäß einer Nennspannung und Eigenschaften der Energiespeicherzellen B1 bis Bn, Spezifikationen der Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung und dergleichen eingestellt werden. Beispielsweise kann in einem Fall, bei dem durch die Spulen L21 bis L2n fließende Ströme gesenkt werden sollen, das Windungsverhältnis so eingestellt werden, dass Spannungen der Spulen L21 bis L2n höher sind als Spannungen der Spulen L11 bis L1n. Die Feldeffekttransistoren Q1 bis Qn sind beispielsweise nicht spezifisch auf N-Kanal MOSFETs beschränkt und es können verschiedene Schaltungselemente wie beispielsweise ein Bipolartransistor eingesetzt werden. Die Treiber DR1 bis DRn sind beispielsweise nicht spezifisch auf Schaltregler beschränkt, die jeweils einen Steueranschluss (AN/AUS Anschluss) beinhalten, und eines können verschiedene Treiberschaltungen verwendet werden.
Zudem ist es für die Feldeffekttransistoren Q1 bis Qn vorteilhaft, ein Element auszuwählen, das mit einer Gate-Spannung eingeschaltet wird, die niedriger als die Nennspannung der Energiespeicherzellen B1 bis Bn ist, und es ist bevorzugt, die Treiber DR1 bis DRn in Schaltungen zu setzen, die auf elektrischem Strom der entsprechenden Energiespeicherzellen B1 bis Bn betreiben, wie in der vorliegenden Ausführungsform. Diese Ausgestaltung verzichtet auf eine externe Stromversorgung(svorrichtung) um die Feldeffekttransistoren Q1 bis Qn an bzw. auszuschalten, was es ermöglicht, eine Größe der Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung zu verringern und eine Stromersparnis dieser Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung zu erzielen. Bei der Steuerschaltung 10 handelt es sich beispielsweise um eine wohlbekannte Mikroprozessor-Steuerschaltung oder eine Steuerungs-IC, die die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n auf Grundlage von Spannungen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn steuert. Die Steuerschaltung 10 beinhaltet eine Anzahl n von Eingangsanschlüssen IN1 bis INn, und eine Anzahl n von Ausgangsanschlüssen OUT1 bis OUTn. Ein Eingangsanschluss IN1 ist mit einem positiven Elektrodenanschluss der Energiespeicherzelle B1 verbunden. Ein Eingangsanschluss IN2 ist mit einem positiven Elektrodenanschluss der Energiespeicherzelle B2 verbunden. Ein Eingangsanschluss INn ist mit einem positiven Elektrodenanschluss der Energiespeicherzelle Bn verbunden. Ein Ausgangsanschluss OUT1 ist mit einem Steueranschluss des Treibers DR1 verbunden. Ein Ausgangsanschluss OUT2 ist mit einem Steueranschluss des Treibers DR2 verbunden. Ein Ausgangsanschluss OUTn ist mit einem Steueranschluss Treibers DRn verbunden.
Es sei angemerkt, dass beispielsweise in einem Fall, bei dem Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren als Energiespeicherzellen B1 bis Bn verwendet werden, es bevorzugt ist, die Energiespeicherzellen B1 bis Bn mit jeweiligen Temperatursensoren (nicht dargestellt) zu versehen und Ausgangssignale von den Temperatursensoren in die Steuerschaltung 10 einzugeben, um es der Steuerschaltung 10 zu ermöglichen, Temperaturen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn zu erfassen.
Es sei beispielsweise angenommen, dass die Spannung der Energiespeicherzelle B1 vergleichsweise höher ist als die Spannungen der anderen Energiespeicherzellen B2 bis Bn. In einem solchen Zustand wechselt die Steuerschaltung 10 das AN/AUS des Feldeffekttransistors Q1 in beliebigen Abständen, wobei der Feldeffekttransistor Q1 aus der Spannungskorrekturschaltung 11 ist, die der Energiespeicherzelle B1 mit der vergleichsweise hohen Spannung entspricht. Die Steuerschaltung 10 hält dann die Feldeffekttransistoren Q2 bis Qn in einem gleichgerichteten Zustand, wobei die Feldeffekttransistoren Q2 bis Qn aus Spannungskorrekturschaltungen 12 bis 1n sind, die den Energiespeicherzellen B2 bis Bn mit vergleichsweise niedrigen Spannungen entsprechen. Dann ist in der Spannungskorrekturschaltung 11, die der Energiespeicherzelle B1 mit einer vergleichsweise hohen Spannung entspricht, eine Spannung der zweiten Spule L21 niedriger als eine Spannung der ersten Spule L11, eine von der Energiespeicherzelle B1 abgegebene elektrische Energie wird somit in eine magnetische Energie umgewandelt und von der ersten Spule L11 auf die zweite Spule L21 übertragen, so dass es in der zweiten Spule L21 zu einer induzierten Spannung kommt, und ein Wechselstrom durch die zweite Spule L21 fließt.
Bei den Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n sind die zweiten Spulen L21 bis L2n miteinander parallelgeschaltet.
Deshalb bewirkt der Wechselstrom, der durch die zweite Spule L21 der Spannungskorrekturschaltung 11 fließt, die der Energiespeicherzelle B1 mit einer vergleichsweise hohen Spannung entspricht, dass Wechselströme mit der gleichen Spannung wie der induzierten Spannung durch die zweiten Spulen L22 bis L2n der Spannungskorrekturschaltungen 12 bis 1n fließen, die den Energiespeicherzellen B2 bis Bn mit vergleichsweise niedrigen Spannungen entsprechen. Dann werden in den Spannungskorrekturschaltungen 12 bis 1n, die den Energiespeicherzellen B2 bis Bn mit vergleichsweise niedrigen Spannungen entsprechen, Spannungen der zweiten Spulen L22 bis L2n höher als Spannungen der ersten Spulen L12 bis L1n, und dann werden durch die zweiten Spulen L22 bis L2n fließende elektrische Energien der Wechselströme in magnetische Energien umgewandelt und jeweils von den zweiten Spulen L22 bis L2n auf die ersten Spulen L12 bis L1n übertragen, so dass es in den ersten Spulen L12 bis L1n zu induzierten Spannungen kommt, wodurch die Energiespeicherzellen B2 bis Bn mit vergleichsweise geringen Spannungen (auf)geladen werden.
Mit anderen Worten werden elektrische Ströme bzw. Energie von der Energiespeicherzelle B1 mit einer vergleichsweise hohen Spannung an die Energiespeicherzellen B2 bis Bn mit vergleichsweise niedrigen Spannungen zugeführt, indem von AN/AUS des Feldeffekttransistors Q1 in zufälligen Abständen abgewechselt wird, wobei der Feldeffekttransistor Q1 aus der Spannungskorrekturschaltung 11 ist, die der Energiespeicherzelle B1 mit der vergleichsweise hohen Spannung entspricht, und dann indem die Feldeffekttransistoren Q2 bis Qn in einem gleichgerichteten Zustand gehalten werden, wobei die Feldeffekttransistoren Q2 bis Qn von Spannungskorrekturschaltungen 12 bis 1n sind, die den Energiespeicherzellen B2 bis Bn mit vergleichsweise niedrigen Spannungen entsprechen. Dies bewirkt, dass die Energiespeicherzelle B1 mit einer vergleichsweise hohen Spannung entladen wird, um eine verringerte Spannung zu haben, und es bewirkt, dass die Energiespeicherzellen B2 bis Bn mit vergleichsweise niedrigen Spannungen (auf)geladen werden, um erhöhte Spannungen zu haben, wodurch Spannungsdifferenzen zwischen den Energiespeicherzellen B1 bis Bn verringert werden, und schließlich die Spannungen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn ausgeglichen werden können.
Bei der Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung mit der oben beschriebenen Ausgestaltung entsprechen die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n eins-zu-eins den Energiespeicherzellen B1 bis Bn. Zudem werden elektrische Verbindungen zwischen den Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n nur durch die Parallelschaltung der zweiten Spulen L21 bis L2n bewirkt. Aus diesem Grund ist es bei dem Entwurf und der Herstellung der Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung ausreichend, lediglich die Anzahl der beabsichtigten Energiespeicherzellen B1 bis Bn zu berücksichtigen, die gleiche Anzahl der Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n vorzusehen, und die zweiten Spulen L21 bis L2n parallelzuschalten. Im Ergebnis hat die Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wenige Elemente, die individuell gemäß der Anzahl der beabsichtigten Energiespeicherzellen B1 bis Bn entworfen und hergestellt werden müssen, weshalb eine hohe Einsatzflexibilität erzielt werden kann.
Zudem, in einem Fall, bei dem zu einem späteren Zeitpunkt den Energiespeicherzellen B1 bis Bn eine neue Energiespeicherzelle Bx (nicht dargestellt) hinzugefügt wird, ist es ausreichend, lediglich eine entsprechende Spannungskorrekturschaltung 1x (nicht dargestellt) hinzuzufügen und eine zweite Spule L2x (nicht dargestellt) der hinzugefügten Spannungskorrekturschaltung 1x mit den zweiten Spulen L21 bis L2n der bestehenden Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n parallelzuschalten (x = n + 1). Im Gegensatz hierzu, in einem Fall, bei dem zu einem späteren Zeitpunkt die Energiespeicherzelle Bn von den Energiespeicherzellen B1 bis Bn entfernt wird, um die Anzahl der Energiespeicherzellen zu verringern, ist es ausreichend, lediglich die Verbindung der zweiten Spule L2n der zu entfernenden Spannungskorrekturschaltung 1n zu entfernen. Im Ergebnis ermöglicht die Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, dass eine oder mehr Energiespeicherzellen B1 bis Bn zu einem späteren Zeitpunkt auf einfache Weise hinzugefügt oder entfernt werden können, wodurch eine hohe Skalierbarkeit erreicht wird. Wie aus den obigen Ausführungen deutlich wird, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung mit hoher Einsatzflexibilität und Skalierbarkeit bereitzustellen. Darüber hinaus werden gemäß der vorliegenden Erfindung die elektrischen Verbindungen zwischen den Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n nur durch das Parallelschalten der zweiten Spulen L21 bis L2n bewirkt, und unterstützen somit auf einfache Weise eine Ausgestaltung bei der beispielsweise die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n auf mehrere Leiterplatten verteilt und montiert sind. Ferner besteht keine Beschränkung hinsichtlich der Anschlussreihenfolge der zweiten Spulen L21 bis L2n, was eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n ermöglicht.
2 ist ein Schaltungsdiagramm, welches ein Beispiel einer spezifischen Ausgestaltung der Spannungskorrekturschaltung 11 darstellt.
Wie in 2 dargestellt können die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n jeweils eine Ausgestaltung haben, die eine isolierte Durchflusswandler-Schaltung beinhaltet. Nachfolgend wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die in 2 dargestellte Spannungskorrekturschaltung 11 angegeben.
Die Spannungskorrekturschaltung 11 beinhaltet die vorgenannte Spule L11, Spule L21, Kern M1, Feldeffekttransistor Q1, und Treiber DR1, sowie Kondensatoren C11 und C21, Dioden D11 und D21, und eine Drosselspule L31.
Die Spule L11 beinhaltet ein erstes Windungsende (ein Windungsstartende), das mit einer Endseite des Kondensators C11 verbunden ist, und beinhaltet ein zweites Windungsende (ein finales Windungsende), das mit einem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors Q1 verbunden ist. Die andere Endseite des Kondensators C11 ist mit einem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors Q1 verbunden. Ein Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors Q1 ist mit dem Treiber DR1 verbunden.
Die Spule L21 beinhaltet ein erstes Windungsende (ein Windungsstartende), das mit einer Endseite der Drosselspule L31 verbunden ist, und beinhaltet ein zweites Windungsende (ein finales Windungsende), das mit einer Kathode der Diode D11 verbunden ist.
Eine Anode der Diode D11 ist mit einer Anode der Diode D21 verbunden. Eine Kathode der Diode D21 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der einen Endseite der Drosselspule L31 und dem ersten Windungsende der Spule L21 verbunden. Eine Endseite des Kondensators C21 ist mit der anderen Endseite der Drosselspule L31 verbunden. Die anderen Endseite des Kondensators C21 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Anode der Diode D11 und der Anode der Diode D21 verbunden.
2 veranschaulicht ein Beispiel des Falls, wo die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n durch ein Vorwärtssystem gebildet sind. Die Zeitpunkte, wenn Ströme fließen, sind die gleichen für die Spule L11 bis L1n (Primärwicklungen) und die Spulen L21 bis L2n (Sekundärwicklungen), weshalb es erleichtert wird, die Zeitpunkte der AN/AUS Steuerung über den Feldeffekttransistoren Q1 bis Qn durch die Steuerschaltung 10 einzustellen. Deshalb ist es möglich, die Spannungen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn mit hoher Genauigkeit auszugleichen.
3 ist ein Zeitdiagramm einer Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, welche die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n unter Verwendung einer isolierten Durchflusswandler-Schaltung beinhaltet.
Es sei hierbei beispielsweise angenommen, dass die Energiespeicherzelle B1 unter den Energiespeicherzellen B1 bis Bn die höchste Spannung hat. In einem solchen Zustand ist es bevorzugt, dass die Steuerschaltung 10 das AN/AUS von beispielsweise dem Feldeffekttransistor Q1 der Spannungskorrekturschaltung 11 die der Energiespeicherzelle B1 mit der höchsten Spannung entspricht, wechselt, und unterdessen die Feldeffekttransistoren Q2 bis Qn in einem gleichgerichteten Zustand hält, wobei die Feldeffekttransistoren Q2 bis Qn aus den Spannungsschaltungen 12 bis 1n sind, die anderen Energiespeicherzellen B2 bis Bn entsprechen. Dies bewirkt, dass die Energiespeicherzelle B1 mit der höchsten Spannung entladen wird, um eine verringerte Spannung zu haben, und dass die anderen Energiespeicherzellen B2 bis Bn (auf)geladen werden, um erhöhte Spannungen zu haben, wodurch die Spannungen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn in kurzer Zeit auf wirksame Art und Weise ausgeglichen werden können.
Zudem ist es in dem oben beschriebenen Fall bevorzugt, dass während das AN/AUS von beispielsweise dem Feldeffekttransistor Q1 der Spannungskorrekturschaltung 11 entsprechend der Energiespeicherzelle B1 mit der höchsten Spannung abgewechselt wird, die Steuerschaltung 10 einen aus den Feldeffekttransistoren Q2 bis Qn ausgewählten Feldeffekttransistor (z.B. den Feldeffekttransistor Q2) in einem gleichgerichteten Zustand hält, in Abhängigkeit von den Spannungen der Energiespeicherzellen B2 bis Bn. Dies kann ein unnötiges Laden und Entladen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn beim Ausgleichen der Spannungen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn verringern, wodurch die Spannungen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn in kürzerer Zeit auf effizientere Weise ausgeglichen werden können.
Insbesondere erfasst die Steuerschaltung 10 jeweils die Spannungen der Energiespeicherzellen B1 bis Bn und berechnet die Durchschnittsspannung der Energiespeicherzellen B1 bis Bn. Dann beginnt die Steuerschaltung 10 den Betrieb zum Abwechseln des AN/AUS des Feldeffekttransistors Q1 der Spannungskorrekturschaltung 11 in zufälligen Abständen, wobei die Spannungskorrekturschaltung 11 der Energiespeicherzelle B1 mit der höchsten Spannung (Zeitpunkt T1 in 3 entspricht). Zur gleichen Zeit beginnt die Steuerschaltung 10 den Betrieb zum Halten der Feldeffekttransistors Q2 der Spannungskorrekturschaltung 12 in einem gleichgerichteten Zustand, wobei die Spannungskorrekturschaltung 12 der Energiespeicherzelle B2 mit einer Spannung entspricht, die niedriger als die Durchschnittsspannung in anderen Energiespeicherzellen B2 bis Bn ist (zum Zeitpunkt T1 in 3).
Die Energiespeicherzelle B1 mit der höchsten Spannung wird zu dem Zeitpunkt entladen, wenn der Feldeffekttransistor Q1 eingeschaltet ist, und die Spannung nimmt ab. Unterdessen wird die Energiespeicherzelle B2 mit einer Spannung, die niedriger als die Durchschnittsspannung ist, zu dem Zeitpunkt geladen, wenn der Feldeffekttransistor Q1 eingeschaltet ist, und die Spannung nimmt zu. Dann hält die Steuerschaltung 10 die Feldeffekttransistoren Q1 und Q2 in einem AUS-Zustand, wenn die Spannung der Energiespeicherzelle B1 auf die Durchschnittspannung abfällt, und die Spannung der Energiespeicherzelle B2 steigt auf die Durchschnittspannung (Zeitpunkt T2 in 3).
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein anderes Beispiel einer spezifischeren Ausgestaltung der Spannungskorrekturschaltung 11 darstellt.
Wie in 4 dargestellt, können die Spannungskorrekturschaltungen 11 bis 1n eine Ausgestaltung haben, die eine isolierte Sperrwandler-Schaltung beinhaltet. Nachfolgend wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf die in 4 dargestellte Spannungskorrekturschaltung 11 angegeben. Die Spannungskorrekturschaltung 11 beinhaltet die vorgenannte Spule L11, Spule L21, Kern M1, Feldeffekttransistor Q1, und Treiber DR1, sowie die Kondensatoren C11 und C21, und eine Diode D11.
Die Spule L11 beinhaltet ein erstes Windungsende (ein Windungsstartende), das mit einer Endseite des Kondensators C11 verbunden ist, und ein zweites Windungsende (ein finales Windungsende), das mit einem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors Q1 verbunden ist. Die andere Endseite des Kondensators C11 ist mit einem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors Q1 verbunden. Ein Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors Q1 ist mit dem Treiber DR1 verbunden. Die Spule L21 beinhaltet ein erstes Windungsende (ein Windungsstartende), das mit einer Kathode der Diode D11 verbunden ist, und beinhaltet ein zweites Windungsende, das mit einer Endseite des Kondensators C21 verbunden ist. Eine Anode der Diode D11 ist mit der anderen Endseite des Kondensators C21 verbunden.
Bezugszeichenliste

10: Steuerschaltung
11 bis 1n: Spannungskorrekturschaltung
20: Energiespeichermodul
B1 bis Bn: Energiespeicherzelle
DR1 bis DRn: Treiber
L11 bis L1n: erste Spule
L21 bis L2n: zweite Spule
M1 bis Mn: Kern
Q1 bis Qn: Feldeffekttransistor

Claims

Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung, aufweisend: mehrere Spannungskorrekturschaltungen, die eins-zu-eins mehreren zueinander in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen entsprechen; und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die mehreren Spannungskorrekturschaltungen auf Grundlage von Spannungen der jeweiligen Energiespeicherzellen zu steuern, wobei die mehreren Spannungskorrekturschaltungen jeweils eine erste Spule, die mit einer entsprechenden Energiespeicherzelle parallelgeschaltet ist, einen Schalter, der eingerichtet ist, die Verbindung der ersten Spule mit der entsprechenden Energiespeicherzelle gesteuert durch die Steuerschaltung an/auszuschalten, und eine zweite Spule, die mit der ersten Spule magnetisch gekoppelt ist, aufweisen, und durch die mehreren Spannungskorrekturschaltungen die zweiten Spulen der jeweiligen Spannungskorrekturschaltungen zueinander parallelgeschaltet sind.
Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung das AN/AUS eines Schalters einer Spannungskorrekturschaltung unter den mehreren Spannungskorrekturschaltungen entsprechend einer Energiespeicherzelle mit einer höchsten Spannung von den mehreren Energiespeicherzellen wechselt, und unterdessen Schalter von Spannungskorrekturschaltungen in einem gleichgerichteten Zustand hält, wobei die Spannungskorrekturschaltungen jeweils anderen Energiespeicherzellen entsprechen.
Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung eine Energiespeicherzelle entsprechend der Spannungskorrekturschaltung, von der ein Schalter in einem gleichgerichteten Zustand gehalten werden soll, gemäß Spannungen der Energiespeicherzellen auswählt.
Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede der mehreren Spannungskorrekturschaltungen eine Schalter-Treiberschaltung aufweist, die eingerichtet ist, einen elektrischen Strom einer entsprechenden Energiespeicherzelle zu betreiben, den Schalter an/aus zu schalten.
Spannungsausgleichs-Korrekturschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannungskorrekturschaltungen jeweils eine isolierte Durchflusswandler-Schaltung oder eine isolierte Sperrwandler-Schaltung sind, die durch die erste Spule als Primärwicklung und die zweite Spule als Sekundärwicklung gebildet sind.