DE19526836A1 - Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von Energiespeichern oder -wandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von Energiespeichern oder Energiewandlern.

Aus der DE 39 40 928 der Anmelderin ist eine solche Vorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe von zentral angeordneten oder einer Vielzahl von dezentral angeordneten Sperrwandlern ein Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen geschaffen wird.

Bei der dort beschriebenen Schaltung wird das Schwergewicht auf den Ladungs­ ausgleich zwischen einer Vielzahl von Energiespeichern gesetzt, wobei die Sperrwandler eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Ballerieblöc­ ken ermöglichen.

Dies hat den Vorteil, daß gezielt einzelne Batterieblöcke aus der Gesamtbatterie unterstützt werden können und daß beliebige Ballerieblöcke Energie an die Gesamtbatterie abgeben können. Diesem Vorteil steht der Nachteil eines relativ hohen Schaltungsaufwandes der Transformatoren gegenüber.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Ladungsausgleich mit einem geringeren Schaltungsaufwand gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das induktive Element mit seinem einen Anschluß zwischen den beiden Energiespeichern angeschaltet ist und an seinem anderen Anschluß über zwei jeweils einem Energiespeicher oder Energiewandler zugeordnete Schalter parallel zu dem jeweiligen Energiespeicher oder Energiewandler schaltbar ist, wobei mit Hilfe einer Komparatorschaltung die Spannungen der beiden Energiespeicher oder Energiewandler miteinander oder mit einem Sollwert verglichen werden und in einer Einschaltphase nur der eine Schalter von dem Taktgeber angesteuert wird, dessen zugeordneter Ener­ giespeicher oder Energiewandler den größeren Spannungswert aufweist, und daß in einer 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 spannungsschwäche­ ren Energiespeicher oder Energiewandler abgegeben wird.

Dadurch kommt es zu einer virtuellen Parallelschaltung der tatsächlich in Reihe geschalteten Speicher, Zellen oder Akkumulatoren, so daß beim Auftreten von Spannungsdifferenzen zwischen den zwei Akkumulatoren ein Ausgleichsstrom zwischen den Zellen fließt.

Bei einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden Energiespei­ chern oder Energiewandlern wird eine Vielzahl von Vorrichtungen zum La­ dungsausgleich mit den oben genannten Merkmalen eingesetzt, wobei die jeweils von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich ausgleichbaren Energie­ speicher jeweils auch einer anderen Vorrichtung zum Ladungsausgleich zu­ geordnet sind.

Damit sind in einfacher Weise eine Vielzahl von Energiespeichern in ihrer Spannung ausgleichbar, wobei die eventuell auftretenden unterschiedlichen Spannungen direkt nur jeweils paarweise ausgeglichen werden, aber insgesamt alle einzelnen Spannungen des Gesamtenergiespeichers durch eine verschachtel­ te Anordnung der einzelnen Vorrichtungen zum Ladungsausgleich angeglichen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich für zwei Akkumulatoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitt eines Schaltbildes einer weiteren Vorrichtung zum Ladungsausgleich für in diesem Ausschnitt dargestellte fünf Akkumulatoren gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel,

Fig. 3 ein schematische Darstellung eines Ausschnitt eines Schaltbildes einer weiteren Vorrichtung zum Ladungsausgleich für in diesem Ausschnitt dargestellte vier Akkumulatoren gemäß einem dritten Ausführungsbei­ spiel,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Fensterkomparators zum Vergleich der Zellen­ spannungen einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich, und

Fig. 5 ein Schaltbild eines analogen Reglers mit Pulsweitenmodulation für eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich.

Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 für zwei Akkumulatoren 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vor­ richtung zum Ladungsausgleich 10 ist für zwei in Reihe geschaltete und einen Gesamtenergiespeicher bildende Akkumulatoren als Energiespeicher 1 und 11 vorgesehen. Zwischen den beiden Energiespeichern 1 und 11 besteht ein Mittenabgriff 22. An diesem Mittenabgriff 22 ist ein induktives Element 23 angeschaltet, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch ein der Stromüberwachung dienender Widerstand 24 vorgeschaltet ist. Das induktive Element 23 ist mit Hilfe von von Taktgeber 4 bzw. 14 ansteuerbaren Schaltern 2 und 12 parallel zu den Energiespeichern 1 bzw. 11 zuschaltbar.

Anstelle der Energiespeicher 1 und 11 können jeweils auch Energiewandler ausgeglichen werden. Hierzu zählen insbesondere alle Energie wandelnden Systeme, die aus einer Reihenschaltung bestehen wie beispielsweise Elektroly­ seeinheiten und Brennstoffzellen.

Dioden 3 bzw. 13 sind parallel zu den Schaltern 2 und 12 angeordnet, wobei diese Dioden als Freilaufdioden geschaltet sind. Diese Dioden können auch durch die parasitären Dioden gebildet werden, die innerhalb von MOS-FET- Schaltern vorhanden sind, mit denen die Schalter 2 und 12 realisiert werden können.

Die Schalter 2 und 12 können von den genannten Taktgeneratoren 4 bzw. 14 mit einem Taktsignal beaufschlagt werden, sofern hierzu ein Steuerbefehl von einer Komparatorschaltung 27 vorliegt, die mit Hilfe von Abgriffleitungen 5, 15 und 25 die Spannungen der beiden Energiespeicher 1 und 11 ermittelt.

Schließlich wird die über dem Widerstand 24 abfallende Spannung den Taktge­ neratoren 4 und 14 zur Verfügung gestellt, die vorteilhafterweise eine Strom­ überwachung aufweisen.

Die Funktion der Schaltung beruht darauf, daß mit Hilfe der Komparator­ schaltung 27 die tatsächlichen Spannungen der beiden Energiespeicher, auch Ist- Werte genannt, mit einer mittleren Batteriespannung, dem Soll-Wert, verglichen werden und bei der entsprechenden Abweichung im Spannungswert nur der Taktgeber 4 oder 14 mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, der dem span­ nungsstärkeren Energiespeicher zugeordnet ist. Der Taktgeber 4 oder 14 erzeugt ein hochfrequentes Taktsignal, vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz, mit welchem der Schalter 2 bzw. 12 beaufschlagt wird. Während dieser Einschaltphase fließt ein in der Zeit an Wert zunehmender Strom aus dem spannungsstärkeren Energiespeicher durch das induktive Element oder auch Speicherdrossel 23. In einer Ausschaltphase fließt der Strom über die Diode 13 bzw. 3 in den spannungsschwächeren Energiespeicher. Dabei stehen dann beide Schalter 2 und 12 offen. Bei einer alternativen Ausgestaltung kann an Stelle der Diode 13 bzw. 3 der Schalter 12 bzw. 2 in der Weise vorgesehen sein, daß dieser dann in der Ausschaltphase schließt. Dabei werden die beiden Schalter 2 und 12 komplementär angeschaltet, d. h. wenn der Schalter 2 schließt, ist der Schalter 12 geöffnet und umgekehrt. Hierbei wird dem Akkumulator mit der höheren Spannung zugeordnete Schalter 2 bzw. 12 zunächst mit einem Tastverhältnis von größer als 50 Prozent angesteuert, wobei im eingeschwungenen Zustand die in den Taktgeneratoren 4 bzw. 14 enthaltene Strombegrenzung die Einschaltdauer auf einen Wert in der Weise begrenzt, daß ein vorgegebener maximaler Aus­ gleichsstrom fließt.

Sollten die beiden Energiespeicher 1 und 11 unterschiedliche Nenn-Betriebs­ spannungen aufweisen, so werden die Taktschritte durch entsprechend unter­ schiedliche Taktlängen ersetzt.

Entsprechend der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung können die Schalter 2 bzw. 12 sowie die Taktgeber 4 bzw. 14 auch als integrierte Schalt­ kreise ausgeführt sein, die bereits die Schalter, einen Taktgenerator, eine Überstromsicherung, eine Übertemperatursicherung und zudem eine Sanft­ anlaufschaltung beinhalten.

Wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, werden die Meßleitungen 5, 15 und 25 getrennt von den Leitungen 6, 16, und 26 des Leistungsteiles geführt, um eine Verfälschung der Meßwerte durch Spannungsabfälle auf den stromführenden Leitungen zu vermeiden.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes eines Schaltbil­ des einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich für in diesem Ausschnitt dargestell­ te fünf Akkumulatoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In der Fig. 2 sind in Bezug auf Fig. 1 jeweils gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei sind zur Vereinfachung der Darstellung jeweils die Komparatorschaltung 27 sowie die Taktgeneratoren und weitere Elemente weggelassen worden.

Für jeweils N Akkumulatoren sind N-1 Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 notwendig, die sich, wie in der Fig. 2 dargestellt, um jeweils einen Akkumulator überlappen. Da jede der N-1 Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 selb­ ständig Spannungsunterschiede zwischen ihren beiden Akkumulatoren 1 und 11 ausgleicht, ist letztendlich ein Energietransfer zwischen allen Zellen möglich.

Die verschiedenen, mit den Bezugszeichen 2 und 12 bezeichneten Schalter können sowohl von einem zentralen Taktgenerator gesteuert werden als auch unabhängig voneinander freilaufen, wobei dann jeweils Schaltungen entspre­ chend Fig. 1 eingesetzt werden können. Der Einsatz eines zentralen Taktgenera­ tors bringt den Vorteil der größeren elektromagnetischen Verträglichkeit, da Schwebungszustände zwischen einzelnen Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 vermieden werden können, die bei unabhängig arbeitenden Taktgeneratoren unvermeidlich eintreten.

Die Beschaltung der Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 mit einem zen­ tralen Taktgenerator kann noch dadurch verbessert werden, daß benachbarte Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 mit einem phasenverschobenen Taktge­ neratorsignal betrieben werden, um zu vermeiden, daß an einem schwachen Akkumulator periodisch große Ladeströme auftreten, wenn von beiden Seiten der Kette der Akkumulatoren und der Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 ein Ladestrom in den schwachen Akkumulator fließt.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Anordnung von einzelnen Vor­ richtungen zum Ladungsausgleich 10 gemäß Fig. 1 für mehrere Akkumulatoren. In der schematischen Darstellung der Fig. 3 wird ein Ausschnitt eines Schaltbil­ des für in diesem Ausschnitt dargestellte vier Akkumulatoren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Hierbei wird jeweils eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 gemäß Fig. 1 über zwei Akkumulatoren angeordnet. Die auf der linken Seite des Zeichnungsblattes angeordnete Schaltung zum Ladungs­ ausgleich 10 schafft einen Ausgleich zwischen den beiden Akkumulatoren 1a und 1b und den beiden Akkumulatoren 11a und 11b. Die auf der rechten Seite des Zeichnungsblattes angeordneten weiteren zwei Schaltungen zum Ladungs­ ausgleich schaffen einen Ausgleich jeweils zwischen den Akkumulatoren 1a und 1b und zwischen den beiden Akkumulatoren 11a und 11b. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Fig. 2, bei der benachbarte Akkumulatoren jeweils benachbarten Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 zugeordnet waren, besteht hier eine andere Verschachtelung in der Weise, daß die Akkumulatoren 1 bzw. 11 nur für eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 als Einheit betrach­ tet werden und jeweils weitere Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 die kleinsten Akkumulatoreinheiten 1a, 1b, 11a und 11b ausgleichen. Natürlich sind auch weitere Schrittweiten denkbar und insbesondere können Ist- und Soll- Spannungen von unterschiedlichen Akkumulatorgruppen festgestellt und be­ arbeitet werden, was sich lediglich in einer unterschiedlichen Länge der Takt­ schritte niederschlägt, sofern gewährleistet ist, daß jede kleinste unteilbare Akkumulatorgruppe oder Energiezelle mindestens zweimal vorhanden ist, um mit der mindestens einen weiteren im Ladungsausgleich stehen zu können, und daß jede größere unteilbare Akkumulatorgruppe oder Energiezelle in einem direkten Ladungsausgleich mit einem entsprechenden Vielfachen von kleineren Akkumulatorgruppen oder Energiezellen steht.

Mit einer solchen Anordnung ist ein schnellerer Ladungsausgleich zwischen größeren Blöcken von Akkumulatoren oder Energiewandlern möglich, es wird z. B. in der Fig. 3 ein schnellerer Energietransfer zwischen den beiden Hälften von Akkumulatorengruppen erreicht.

Jede Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 benötigt die in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 27 versehene Komparatorschaftung. Eine mögliche Ausgestaltung einer solchen Komparatorschaltung ist in der Fig. 4 dargestellt, die ein Prinzip­ schaltbild eines Fensterkomparators 27 zum Vergleich der Zellenspannungen einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 zeigt.

Die Meßleitungen 5 und 15 werden über die Widerstände 31 und 32 zu den Komparatoren 33 und 34 geführt. Damit liegen an den entsprechenden Ein­ gängen der Komparatoren 33 und 34 die Akkumulator-Sollspannungen an. Der jeweils andere Eingang der Komparatoren 33 und 34 ist mit der Meßleitung 25 zu verbinden. Um den Einfluß eines Spannungsabfalles auf der Leitung 35 zwischen den beiden Akkumulatoren 1 und 11 beim Auftreten von Lade- bzw. Entladeströmen zu verhindern, welcher durch den durch die Leitung des Verbinders der einzelnen Akkumulatoren gebildeten Widerstand 36 hervor­ gerufen wird, wird die Ist-Spannung über zwei in Reihe zwischen den Akkumu­ latoren 1 und 11 geschaltete hochohmige Widerstände 37 ermittelt, wobei der Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen 37 der Meßleitung 25 ent­ spricht. Damit liegt jeweils an den Ausgängen 38 bzw. 39 ein Steuersignal an, falls eine Abweichung der Batteriespannungen vom jeweiligen Sollwert vorliegt. Die Komparatoren weisen vorzugsweise eine bestimmte Hysterese auf, die ein Auftreten eines Steuersignals 38 bzw. 39 erst bei Überschreiten einer Mindest­ abweichung der Batteriespannungen vom Sollwert ermöglichen. Weiterhin werden die Komparatoren 33 und 34 vorzugsweise zeitabhängig gegeneinander verriegelt, so daß eine Energiezufuhr in der einen Richtung in einer vorbe­ stimmten Zeit von z. B. einer Sekunde nicht durch einen Energietransfer in der anderen Richtung aufgehoben wird. Damit wird einem Schwingungsverhalten der Schaltung vorgebeugt.

Die Ansteuerung der Schalter kann auch mit einem Taktsignal erfolgen, dessen Einschaltdauer im Verhältnis zur Gesamtperiodendauer, also die sogenannte Pulsweite, von der Differenz zwischen der Akkumulator-Sollspannung und den Akkumulator-Istspannungen abhängig ist. Damit wird ein geschlossener Regel­ kreis gebildet, der durch einen P-, einen PI-, einen PID-Regler oder einen Regler mit unscharfer Logik (Fuzzy-Logik) ausgestaltet werden kann. Die Fig. 5 zeigt ein solches Schaltbild eines analogen Reglers mit Pulsweitenmodulation für eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10.

Ein Vorteil dieser analogen Vorgehensweise liegt darin, daß Ausgleichsströme abhängig von den Regelabweichungen eingestellt werden können und somit ein schonender Betrieb des Ladungsausgleichs durchgeführt werden kann.

Der Abgriff des Sollwertes der mittleren Batteriespannung wird in der gleichen Weise wie bei der Vorrichtung nach Fig. 4 durchgeführt. Ebenso wird der Istwert mit Hilfe von hochohmigen Widerständen 37 unabhängig von eventuellen Batterieströmen ermittelt und beide Werte werden einem PI-Regler 40 zu­ geführt, der mit Hilfe der Widerstände 41 und 42 eine eventuell bestehende Differenz verstärkt und diese Differenz dank des Kondensators 43 auch auf­ integriert. Bei nicht-idealen Akkumulatoren besteht eine Verschiebung des Potentials des Mittelabgriffs 25 gegenüber der mittleren Batteriespannung, so daß am Ausgang 44 des PI-Reglers ein vorzeichenbehaftetes Ausgangssignal anliegt. Wie schon oben ausgeführt, können anstelle des dargestellten PI-Reglers sowohl ein P-Regler als auch ein PID-Regler oder andere Reglerstrukturen zum Einsatz kommen.

Dieses Ausgangssignal wird in einem Gleichrichter 45 gleichgerichtet und einem Pulsweitenmodulator 46 zugeführt, der zu dem Absolutwert der Regelabwei­ chung ein proportionales Pulsweitenverhältnis des Taktsignals erstellt. Gleichzei­ tig wird für dieses Ausgangssignal in einem Komparator 47 das Vorzeichen der Regelabweichung ermittelt und das von dem Pulsweitenmodulator 46 erzeugte Taktsignal über eine entsprechende Logikschaltung 48 dem entsprechenden Schalteranschluß 38 oder 39 zugeführt, der mit dem Schalter 2 bzw. 12 ver­ bunden ist. Der Komparator 47 kann auch als Fensterkomparator arbeiten, der eine Ausgabe des Taktsignals bei einer zu kleinen Regelabweichung unterbindet.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) zwischen zwei in Reihe ge­ schalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden Energiespeichern oder Energiewandlern (1, 11), bei der ein induktives Element (23) mit Hilfe von von einem Taktgeber ansteuerbaren Schaltern (2, 12) parallel zu den Energiespei­ chern oder Energiewandlern (1, 1.1) zuschaltbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das induktive Element (23) mit seinem einen Anschluß (22) zwischen den beiden Energiespeichern oder Energiewandlern (1, 11) angeschal­ tet ist und an seinem anderen Anschluß über zwei jeweils einem Energiespeicher oder Energiewandler (1 bzw. 11) zugeordnete Schalter (2 bzw. 12) parallel zu dem jeweiligen Energiespeicher oder Energiewandler (1 bzw. 11) schaltbar ist, wobei mit Hilfe einer Komparatorschaltung (25) die Spannungen der beiden Energiespeicher oder Energiewandler miteinander oder mit einem Sollwert verglichen werden und in einer Einschaltphase nur der eine Schalter (2 bzw. 12) von dem Taktgeber (4 bzw. 14) angesteuert wird, dessen zugeordneter Energie­ speicher oder Energiewandler (1 bzw. 11) den größeren Spannungswert aufweist, und daß in einer Ausschaltphase die in dem induktiven Element (23) gespeicher­ te Energie über den in der Ausschaltphase geschlossenen anderen Schalter (12 bzw. 2) oder über jeweils parallel zu den Schaltern (12 bzw. 2) geschaltete Dioden (13 bzw. 3) in den spannungsschwächeren Energiespeicher oder Energie­ wandler (11 bzw. 1) abgegeben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strom­ überwachung (24) für den durch das induktive Element (23) fließenden Strom vorgesehen ist, durch die bei Erreichen eines Schwellwertes für diesen Strom von der Einschaltphase in die Ausschaltphase übergegangen wird.

3. Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden Energiespeichern oder Energiewandlern (1, 11), bestehend aus einer Vielzahl von Vorrichtungen zum Ladungsausgleich (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die jeweils von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) ausgleichbaren Energiespeicher oder Energiewandler (1, 11; 1a, 1b, 11a, 11b) jeweils auch einer anderen Vorrichtung zum Ladungsaus­ gleich (10) zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zwei von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) ausgleichbaren Energiespeicher oder Energiewandler (1, 11) genau jeweils auch einer anderen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) zugeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei, von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) ausgleichbaren Energie­ speicher oder Energiewandler (1, 11) in kleinere Energiespeicher oder Energie­ wandler (1a, 1b, 11a, 11b) unterteilt sind, die jeweils auch einer anderen Vor­ richtung zum Ladungsausgleich (10) zugeordnet sind.