DE19616621C2 - Ladungsniveauangleichseinrichtung - Google Patents

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.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladungsniveauangleichseinrichtung vorzuschlagen, die hinsichtlich der Erweiterungsmöglichkeiten flexibler ist.

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 erschweren, 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. 100 V. 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.

Weiterhin sind Schaltungsanordnungen zum Ladungsniveauausgleich bekannt (DE 44 22 409 A1), bei denen Akkumulatormodule über jeweils einen Schalter mit jeweils einem induktiven Speicher verbunden werden. Durch eine Umschaltung der Schalter werden die Speicher anschließend mit anderen Akkumulatormodulen verbunden. Weiterhin sind bei diesen Ausführungsbeispielen durch das Schließen der Schalter neben den Kreisen der einzelnen Akkumulatormodule mit den Speichern weitere Kreise gebildet, bei denen eine Reihenschaltung mehrerer Akkumulatormodule mit einer Reihenschaltung mehrer Speicher verbunden ist. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich also schon im Schaltungsaufbau.

Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung bekannt (DE 39 40 928 C1), bei der Akkumulatormodule mit jeweils einem induktiven Ladungsspeicher gekoppelt werden. Jeder Ladungsspeicher ist dabei nur einem der Akkumulatormodule parallel geschaltet. Über einen zentralen Schalter werden alle Ladungsspeicher gleichzeitig miteinander verbunden. Sowohl hinsichtlich der Schaltungsanordnung als auch im Hinblick auf deren zeitliche Wirkungen unterscheidet sich also diese schaltungsanordnung von der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1.

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 Akkumuluatormodule 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 Akkumuluatoranordnung 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, Schaltelementewirderstand) 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 weisen 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 mirko- 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 ist.

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) schließbar ist.