DE19616621A1 - Ladungsniveauangleichseinrichtung - Google Patents
LadungsniveauangleichseinrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Ladungsniveauangleichseinrichtung nach Anspruch 1.
Bei einer Anordnung von mehreren in Reihe geschalteten
Akkumulatormodulen können bei der Ladung und auch bei der
Entladung der gesamten Anordnung Probleme auftreten aufgrund eines
unterschiedlichen Verhaltens der einzelnen Akkumulatormodule, wenn
einzelne Akkumulatormodule der Anordnung gegenüber anderen
Akkumulatormodulen unterschiedlich schnell geladen bzw. entladen
werden. Zur Lösung damit verbundener Schwierigkeiten ist es
bereits bekannt, das Ladungsniveau der einzelnen Akkumulatormodule
während des Ladungs- bzw. Entladungsvorganges anzugleichen. Bei
einer derartigen Ladungsniveauangleichseinrichtung (DE 39 40 929
C1) werden die einzelnen Akkumulatormodule über jeweils ein
Schalterpaar mit demselben Ladungsspeicher verbunden. Indem dabei
die Schalterpaare abwechselnd geschlossen werden, findet ein
Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Akkumulatormodulen statt,
indem nacheinander die einzelnen Akkumulatormodule einen
Ladungsausgleich mit dem Ladungsspeicher vornehmen. Ein
Akkumulatormodul, das einen vergleichsweise großen Ladungszustand
aufweist, gibt dabei Ladung an den Ladungsspeicher ab, während ein
Akkumulatormodul mit einem vergleichsweise niedrigen
Ladungszustand Ladung von dem Ladungsspeicher aufnimmt.
Demgegenüber zeigt sich bei dem Gegenstand nach Anspruch 1
vorteilhaft, daß aufgrund der Anordnung der Akkumulatormodule zu
den diesen Akkumulatormodulen zugeordneten Ladungsspeichern sehr
geringe Abstände erzielbar sind zwischen den Akkumulatormodulen und
den diesen Akkumulatormodulen zugeordneten Ladungsspeichern. Die
Verbindungsleitungen zwischen den Akkumulatormodulen und den
diesen Akkumulatormodulen zugeordneten Ladungsspeichern können
deswegen sehr kurz ausgebildet sein. Dadurch bleiben
vorteilhafterweise die Widerstandswerte der Verbindungsleitungen
bei dem Ladungsausgleich der Akkumulatormodule begrenzt.
Demgegenüber können sich beim Stand der Technik bei einer
Erweiterung der Anordnung auf eine Vielzahl von Akkumulatoren
aufgrund der dann zunehmenden Distanz und der zunehmenden Länge
der Verbindungsleitungen zwischen den Akkumulatormodulen und dem
Ladungsspeicher Widerstandswerte auftreten, die einen
Ladungsausgleich wesentlich erschwierigen, weil beim Transport der
Ladungen im wesentlichen ohmsche Verluste in den
Verbindungsleitungen auftreten.
Weiterhin ist beim Stand der Technik die Zahl der Akkumulatoren
begrenzt durch die Durchbruchspannung der Schaltelemente. An den
Schaltelementen der Schalterpaare, die dem Akkumulatormodul
zugeordnet sind, das auf dem höchsten Potential liegt, wird diese
Durchbruchspannung zuerst erreicht. Die an diesen Schaltelementen
anliegende Spannung ist dabei die Summe der Spannung der
Akkumulatormodule. Bei der Verwendung von Feldeffekttransistoren
beträgt diese Durchbruchspannung ca. 100V. Diese
Durchbruchspannung wird bei einer Spannung eines einzelnen
Akkumulatormodules von 12 V bei einer Reihenschaltung von ca. 8
Akkumulatormodulen erreicht. Werden Triacs als Schaltelemente
verwendet, so sind die Schaltelemente zwar spannungsfester
hinsichtlich der Durchbruchspannung, jedoch treten in den Triacs
größere Verluste auf.
Bei dem Gegenstand nach Anspruch 1 kann der Ladungsspeicher
vorteilhaft kapazitiv sein, es ist jedoch auch möglich, einen
induktiven oder chemischen Ladungsspeicher vorzusehen.
Vorteilhaft erweist es sich weiterhin, daß die Reihenschaltung der
Akkumulatormodule einfach erweiterbar ist, indem an das eine Ende
der Reihenschaltung wiederum ein Ladungsspeicher mit zwei
Schalterpaaren und einem weiteren Akkumulatormodul entsprechend
angeschlossen wird. Dabei erweist es sich weiterhin als besonders
vorteilhaft, daß keine zentrale Steuerung der Schalterpaare
notwendig ist.
Vorteilhaft zeigt sich bei dem Gegenstand nach Anspruch 2, daß der
Ladungsausgleich der Anordnung von Akkumulatormodulen insgesamt
beschleunigt werden kann. Während beim Stand der Technik immer nur
ein Akkumulatormodul in den Ladungsausgleich einbezogen werden
kann, können mit der erfindungsgemäßen Anordnung zu einem
Zeitpunkt fast alle Akkumulatormodule gleichzeitig an dem
Ladungsausgleich teilnehmen. Dies bedeutet, daß zu einem Zeitpunkt
nahezu jedes Akkumulatormodul einen Ladungsausgleich mit einem
Ladungsspeicher vornehmen kann.
Bei der Ausbildung nach Anspruch 3 können die ohmschen Verluste
durch die vorteilhafte Verwendung der entsprechenden Bauteile
weiterhin vorteilhaft begrenzt werden. Da bei dem Ladungsausgleich
der einzelnen Akkumulatormodule jeweils nur die Spannung eines
Akkumulatormodules geschaltet werden muß, können bei der
erfindungsgemäßen Einrichtung diese Bauteile Verwendung finden,
während beim Stand der Technik wegen der dort zu schaltenden
größeren Spannungen bei einer Anordnung von einer Mehrzahl von
Akkumulatoren Schaltelemente wie Triacs verwendet werden müssen,
um eine entsprechende Spannungsfestigkeit zu erhalten.
Bei der Ausbildung nach Anspruch 4 stellt sich ein besonders
effizienter Ladungsausgleich ein, weil eventuelle
Ladungsunterschiede praktisch mittels eines "Durchschiebens" durch
die Anordnung der Akkumulatormodule ausgeglichen werden.
Bei der Ausbildung nach Anspruch 5 ist mit vergleichsweise
geringem Aufwand erkennbar, welches der Akkumulatormodule stark
von den anderen Akkumulatormodulen abweicht. Wenn eines der
Akkumulatormodule besonders effizient bzw. besonders schlecht die
Ladung annimmt bzw. abgibt, so fließt beim Ladungsausgleich ein
vergleichsweise starker Strom durch die entsprechenden Bauteile,
so daß es zu einer entsprechend starken Erwärmung kommt. Durch
eine Markierung können also die Akkumulatormodule gekennzeichnet
werden, die besonders stark von dem durchschnittlichen Verhalten
abweichen, um so die Lebensdauer der Gesamtanordnung verlängern zu
können. Diese Erkennung ist dabei ohne aufwendige Regelschaltung
möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher
dargestellt. Es zeigen dabei:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Akkumulatoranordnung von mehr
als zwei Akkumulatormodulen,
Fig. 2 eine Darstellung einer Akkumulatoranordnung von mehr als
zwei Akkumulatormodulen,
Fig. 3 eine Möglichkeit zur Erkennung des Zustandes einzelner
Akkumulatormodule und
Fig. 4 eine Darstellung, wann der Zustand eines
Akkumulatormodules als schlecht erkannt werden kann.
Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Akkumulatoranordnung, wobei
dieser Ausschnitt zwei Akkumulatormodule 1 und 2 zeigt. Diese
Akkumulatormodule sind dabei in Reihe geschaltet über die Leitung
3. Über die Leitungen 4 und 5 ist der in Fig. 1 gezeigte
Ausschnitt an jeweils ein weiteres Akkumulatormodul angeschlossen.
Dadurch ergibt sich eine Reihenschaltung der Akkumulatormodule.
Über die Leitungen 6 und 7 ist das Akkumulatormodul 2 an einen
weiteren Ladungsspeicher angeschlossen. Über die Leitungen 8 und 9
ist das Akkumulatormodul 1 an einen weiteren Ladungsspeicher
angeschlossen. Strichpunktiert umrandet ist in Fig. 1 ein
Akkubooster 10 dargestellt. Dieser Akkubooster 10 besteht aus
einem Schalterpaar S1 und S2 sowie einem weiteren Schalterpaar S3
und S4. Weiterhin ist in dem Akkubooster 10 ein Ladungsspeicher C1
vorhanden. Es ist weiterhin ein Taktgeber 11 vorhanden, der
ebenfalls Bestandteil des Akkuboosters 10 sein kann, und über den
jeweils höchstens eines der Schalterpaare S1, S2 und S3, S4
geschlossen wird. Wenn diese beiden Schalterpaare nacheinander
geschlossen worden sind, so ist ein Ladungsausgleich erfolgt
zwischen dem Akkumulatormodul 1 und dem Akkumulatormodul 2. Dabei
wurde der Ladungsspeicher polaritätsrichtig zwischen den beiden
Akkumulatormodulen angeschaltet. Der Ladungsspeicher wird also mit
der Differenzspannung der beiden Akkumulatormodule
wechselspannungsmäßig belastet.
Es ist dann im weiteren möglich, einen Ladungsniveauausgleich der
Akkumulatormodule 1 und 2 mit ihren jeweils anderen "benachbarten"
Akkumulatormodulen durchzuführen. Wenn auch ein
Ladungsniveauausgleich dieser Akkumulatormodule mit den diesen
"benachbarten" Akkumulatormodulen vorgenommen wird, so ist es
möglich, nach und nach einen vollständigen Ladungsniveauausgleich
zwischen den Akkumulatormodulen der Akkumulatoranordnung
vorzunehmen.
Der Ladungsspeicher C1 des Akkuboosters 10 kann dabei vorteilhaft
ein Kondensator sein, während die Schaltelementepaare S1, S2 und
S3, S4 durch vorzugsweise durch Feldeffekt-Transistoren mit
geringem Durchlaßwiderstand realisiert werden (sogenannte Power-
MOSFET Bauelemente).
Fig. 2 zeigt, wie der Ausschnitt der Fig. 1 in eine gesamte
Anordnung von Akkumulatormodulen eingebracht sein kann. Die
entsprechenden Leitungen mit den Bezugsziffern sind dabei im
Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert worden, genauso wie die
Funktionsweise der Akkubooster. Die gesamte Anordnung weist dabei
Anschlüsse 12 und 13 auf.
Es ist dabei möglich, daß jeder der Akkubooster 10 einen Taktgeber
11 aufweist. Als vorteilhaft erweist es sich dabei, daß die
gesamte Anordnung dann einfach modular erweiterbar ist. An eine
bestehende Reihenschaltung von Akkumulatormodulen muß dann
lediglich ein weiterer Akkubooster 10 und an diesen wiederum ein
weiteres Akkumulatormodul angeschlossen werden. Es ist dabei
lediglich notwendig, die einzelnen Akkubooster 10 so
auszugestalten, daß maximal eines der Schalterpaare S1, S2 sowie
S3, S4 gleichzeitig geschlossen ist.
Es ist aber auch möglich, einen zentralen Taktgeber vorzusehen,
der die entsprechenden Schalterpaare S1, S2 und S3, S4 in den
Akkuboostern 10 öffnet und schließt. Es ist dann beispielsweise
möglich, die Schalterpaare S1 und S2 aller Akkubooster gemeinsam
zu schließen. Wenn dann diese Schalterpaare S1, S2 geöffnet
werden, können die Schalterpaare S3, S4 aller Akkubooster 10
gemeinsam geschlossen werden.
Mit einem solchen Öffnen und Schließen der Schalterpaare kann der
Ladungsniveauausgleich in kürzester Zeit erfolgen. Dabei ist jedes
Akkumulatormodul immer mit einem Ladungsspeicher verbunden, so daß
der Ladungsniveauausgleich zwischen den Akkumulatormodulen bei
vergleichsweise geringem schaltungstechnischen Aufwand in kurzer
Zeit erfolgt.
Es ist beispielsweise auch möglich, anstelle eines einzelnen
Akkuboosters 10 eine Parallelschaltung von zwei oder mehreren
Akkuboostern 10 vorzunehmen, die dann an die Anschlußpunkte eines
der Akkubooster 10 gemäß Fig. 2 angeschlossen wird. Dadurch ist es
möglich, die ohmschen Verluste der Schaltung zu verringern sowie
die Strombelastbarkeit der Schaltung zu erhöhen.
Durch eine geeignete Auslegung ist die Schaltung überstrom- und
kurzschlußfest. Dies erfolgt durch eine Anpassung der
Umschaltfrequenz zwischen den Schaltelementepaaren. Der
Ladungstransportwiderstand ist eine Funktion der Umschaltfrequenz,
der Kondensatorkapazität, dem ohmschen Widerstand des Kondensators
und dem ohmschen Widerstand der Schaltelemente. Der
Ladungstransportwiderstand kann also durch eine entsprechende
Variation der Umschaltfrequenz in Abhängigkeit der momentanen
Strombelastung festgelegt werden. Die Strombelastung kann
beispielsweise durch eine Messung der Temperaturerhöhung an den
Wirkwiderständen der Bauelemente (Kondensatorwiderstand,
Schaltelementewiderstand) ermittelt werden, wie dies
beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist.
Mit einer solchen Schaltungsausbildung ist es auch möglich, über
eine zentrale Auswertung der Temperaturverteilung in der Schaltung
die Akkumulatormodule zu erkennen, deren Verhalten von dem
durchschnittlichen Verhalten der anderen Akkumulatormodule am
meisten abweicht. Diese Abweichung kann dabei sowohl darin
bestehen, daß das Akkumulatormodul langsamer geladen wird als die
anderen Akkumulatormodule, als auch darin, daß das
Akkumulatormodul schneller geladen wird als die anderen
Akkumulatormodule.
Ein mögliches Temperaturverhalten der entsprechenden Bauteile ist
in Fig. 4 dargestellt. In dem marktierten Band kann aufgrund des
Temperaturverhaltens geschlossen werden, daß die entsprechenden
Akkumulatormodule ein durchschnittliches Verhalten aufweisen.
Liegt die Temperatur oberhalb dieses Bandes, so kann dies auf
vergleichsweise große fließende Ströme zurückgeführt werden. Die
entsprechenden Akkumulatormodule weise dann ein von dem
durchschnittlichen Verhalten vergleichsweise stark abweichendes
Verhalten auf.
Die Schaltung arbeitet bei Normallast mit einer Umschaltfrequenz
im kHz-Bereich und benutzt Kapazitäten im mikro- bis milli-
Faradbereich. Dadurch werden ohne Berücksichtigung der Zuleitungs-
Innenwiderstände Ladungstransportwiderstände kleiner als 10 mOhm
erreicht.
Claims (5)
1. Ladungsniveauangleichseinrichtung für mehr als zwei in Reihe
geschaltete Akkumulatormodule (1, 2), wobei jedes der am Ende der
Serienschaltung befindlichen Akkumulatormodule (1, 2) über ein
Schalterpaar (S1, S2; S3, S4) mit seinen Polanschlüssen an einen
Ladungsspeicher (C1) angeschlossen ist, wobei jedes der anderen
Akkumulatormodule (1, 2) über jeweils ein Schalterpaar (S1, S2;
S3, S4) an zwei Ladungsspeichern (C1) angeschlossen ist, wobei die
Schalterpaare (S1, S2; S3, S4) so geöffnet und geschlossen werden,
daß jeder Ladungsspeicher (C1) mit maximal einem Akkumulatormodul
(1, 2) gleichzeitig verbunden ist.
2. Ladungsniveauangleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zu einem Zeitpunkt mehrere Akkumulatormodule
(1, 2) über verschiedene Schalterpaare (S1, S2; S3, S4) mit
verschiedenen Ladungsspeichern (C1) verbunden sind.
3. Ladungsniveauangleichseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elemente der Schalterpaare (S1, S2; S3, S4) durch Feldeffekt-
Transistoren gebildet werden.
4. Ladungsniveauangleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Akkumulatormodule (1,
2) abwechselnd über die diesem Akkumulatormodul (1, 2)
zugeordneten Schalterpaare (S1, S2; S3, S4) mit den beiden diesem
Akkumulatormodul (1, 2) zugeordneten Ladungsspeichern (C1)
verbunden wird.
5. Ladungsniveauangleichseinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Auswertung der
auftretenden Temperaturen der Schalterpaare (S1, S2; S3, S4)
und/oder der Ladungsspeicher (C1) auf den Zustand der einzelnen
Akkumulatormodule (1, 2) geschlossen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19616621A DE19616621C2 (de) | 1996-04-25 | 1996-04-25 | Ladungsniveauangleichseinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19616621A DE19616621C2 (de) | 1996-04-25 | 1996-04-25 | Ladungsniveauangleichseinrichtung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19616621A1 true DE19616621A1 (de) | 1997-11-06 |
DE19616621C2 DE19616621C2 (de) | 1998-08-27 |
Family
ID=7792469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19616621A Expired - Fee Related DE19616621C2 (de) | 1996-04-25 | 1996-04-25 | Ladungsniveauangleichseinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19616621C2 (de) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3940928C1 (de) * | 1989-12-12 | 1991-07-11 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev, 8000 Muenchen, De | |
DE4422409A1 (de) * | 1994-06-29 | 1996-01-11 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren und Vorrichtung zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichern oder -wandlern |
-
1996
- 1996-04-25 DE DE19616621A patent/DE19616621C2/de not_active Expired - Fee Related
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Patent Abstracts of Japan, Publicationnumber 07335266A * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19616621C2 (de) | 1998-08-27 |
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