EP2862255A2 - Switching device for a battery and corresponding switching method - Google Patents

Switching device for a battery and corresponding switching method

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Publication number
EP2862255A2
EP2862255A2 EP13717496.7A EP13717496A EP2862255A2 EP 2862255 A2 EP2862255 A2 EP 2862255A2 EP 13717496 A EP13717496 A EP 13717496A EP 2862255 A2 EP2862255 A2 EP 2862255A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cells
battery
charge
switching
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13717496.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joerg Ziegler
Thomas Plum
Marcus Preissner
Johanna May
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2862255A2 publication Critical patent/EP2862255A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007Regulation of charging or discharging current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20Charging or discharging characterised by the power electronics converter
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/007182Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage

Definitions

  • the invention relates to a switching device for a battery.
  • the invention further relates to a method for interconnecting cells of a battery.
  • DE 21 2008 000 035 111 discloses a high-frequency inverter for converting a DC voltage generated by at least one solar module via at least one input DC / DC converter, an intermediate circuit and an output DC / AC converter into an AC voltage for supplying consumers and or for feeding into a supply network.
  • the input DC / DC converter is connected to a control device.
  • US 2004/0125618 A1 discloses a power converter system which interconnects various types of electrical power sources and provides a defined type of electrical power, for example a standard mains voltage supply for a load. Each of the electrical power sources is electrically isolated from the load and also against each other. A corresponding input transducer is connected to each power source.
  • the invention provides a switching device for a battery, comprising:
  • control device a control device; and - Switch; wherein by means of the controlled by the controller switch cells of the battery can be variably interconnected such that a terminal voltage of the battery is substantially independent of a state of charge of the cells.
  • the invention provides a method for interconnecting cells of a battery, comprising the following steps:
  • Terminal voltage of a battery with rechargeable cells should be substantially independent of a state of charge of the cells.
  • the battery can be better connected to an inverter of a DC voltage generator.
  • the constancy of a DC link voltage of the inverter is favored by the constant terminal voltage of the battery.
  • the inverter of the battery can be designed to be more power-optimized in an advantageous manner, for example, a voltage swing of the inverter can be lower.
  • DC voltage generator be less lossy and cheaper to manufacture.
  • An advantageous development of the switching device provides that for determining the state of charge electrical voltages of each cell of the battery are determined.
  • a preferred embodiment of the switching device provides that cell modules are interconnected with at least one cell. This advantageously makes it possible to use a simplified switch mechanism, since a number of cell modules is generally smaller than a number of cells.
  • An advantageous development of the switching device provides that by means of the switch, a defined number of cells in series and / or can be connected in parallel. As a result, it is advantageously possible to generate very flexible switching structures or switching composites of cells, as a result of which an outwardly acting terminal voltage of the battery can be set very finely.
  • the terminal voltage of the battery is adapted to an intermediate circuit voltage of an inverter of a DC voltage generator.
  • the battery is adapted to an optimal working range of the inverter, whereby the electrical converter of the battery advantageously a lower voltage swing
  • An advantageous embodiment of the switching device provides that the switching device is disposed within the battery. This is advantageous one
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides that, for a frequency of interconnecting the cells and / or forming a switching interconnection of the cells, a state of charge of each individual cell is taken into account. This advantageously causes a balancing of the cells.
  • a preferred embodiment of the method provides that electrical voltages are determined by each individual cell or cell modules with a plurality of cells. As a result, on the one hand a direct measurement of the cell voltages is carried out, whereby a quality of the individual cells is determined. Alternatively, a module measurement is performed on cell modules having a plurality of cells, wherein in each case an electrical voltage of a switching group of cells is measured. From a difference of module voltages can be concluded that charge states of single cells.
  • a preferred embodiment of the method provides that cells are cyclically removed from the switching network during interconnection and taken into the switching network.
  • Switching group depends. This advantageously takes into account the fact that a change in a state of charge of the cell depends on a current intensity of a charging current. As a result, charge states of the individual cells can be taken into account individually for each cell.
  • An advantageous development of the method provides that always a defined number of cells remains excluded from the switching network, wherein the recessed cells are exchanged cyclically. This ensures that in each case a defined number of cells is provided in the switching network, which is advantageous in conjunction with the cyclic replacement of the recessed cells, a uniform state of charge of the cells is supported.
  • Debalancing of the cells depends to a high degree on a current strength. Thus, a debalancing of cells can be counteracted in this way.
  • a preferred embodiment of the method provides that the cells are connected in such a way that the cells of the switching networks comprise the largest possible number of cells. This will advantageously a maximum number of cells in the Switching group added, creating a maximum number of cells on
  • Fig. 1 a shows a configuration with a DC voltage generator
  • Fig. 1b shows a further configuration with a DC voltage generator and a battery according to the prior art
  • FIG. 2 shows an embodiment of a switching device according to the invention
  • 3a shows a configuration of a switching network according to the invention of cells of a battery
  • 3b shows a further configuration of a switching network according to the invention of cells of a battery
  • FIG. 4 shows a configuration of a DC power generation system
  • the DC voltage generator 4 may be formed, for example, as a photovoltaic system with a plurality of panels which generate a DC voltage and this to a conversion into an inverter 5 feed.
  • the inverter 5 has internally a DC / DC converter 5a (DC-DC converter) and an AC / DC converter 5b (DC / AC converter), wherein between the DC / DC converter 5a and the AC / DC converter 5b, an intermediate circuit 6 is arranged , An output voltage of the inverter 5 feeds an electrical network 8 (e.g., household AC mains) and / or supplies electrical consumers.
  • an electrical network 8 e.g., household AC mains
  • a battery 2 with rechargeable cells (not shown) is provided in the system, which feeds a DC voltage into an inverter 5, wherein an output voltage of the inverter 5 also feeds the network 8 and / or supplies electrical consumers.
  • the inverter 5 of the battery 2 includes a bi-directional (two-way current flow possible) AC / DC converter 5 b and a DC / DC converter 5 a for setting the currently required charging or
  • the battery 2 is connected directly to a DC link 6 of the inverter 5 of the DC voltage generator 4 via a DC / DC converter 5 a. In this way one needs compared to the configuration of Fig. 1 a one less transducer.
  • the DC / DC converter 5 a may have to perform high voltage strokes to a required voltage level for the intermediate circuit 6 of the inverter. 5 provide.
  • the DC / DC converter 5a of the battery 2 with respect to a
  • Switching mechanism provides by means of a variable, dynamic interconnection of the cells of the battery 2 as constant a terminal voltage of the battery 2.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the switching device according to the invention.
  • the switching device 10 comprises a control device 1 (for example a microcontroller), by means of which a plurality of switches S (eg electronic switches) can be activated and operated.
  • a control device 1 for example a microcontroller
  • switches S eg electronic switches
  • the cells Z can be variably interconnected in such a way that a terminal voltage U k of the battery 2 is substantially independent of
  • an electrical voltage of rechargeable battery cells depends strongly on their current state of charge.
  • an electrical cell voltage of a lithium-ion cell in the discharged state is approximately 2.5 V and in the charged state approximately 4.2 V.
  • a total electrical voltage of a plurality of interconnected cells Z is disadvantageously highly dependent on the states of charge of the individual Cells Z dependent.
  • a switching structure or a switching network 7 of the cells Z is configured and current
  • a state of charge of the individual cells Z is determined. For example, this can be done by means of a determination device (not shown), wherein electrical voltages of the individual cells Z are determined or electrical voltages of cell modules 3 having a plurality of cells Z. By way of example only two cell modules 3 are shown in FIG. As a result, the individual state of charge of each individual cell Z can be taken into account for the interconnection according to the invention.
  • the cell modules 3 can in extreme cases consist of individual cells Z. Another extreme case is the measurement of the total voltage and a reconnection solely with this information.
  • the cell modules 3 are connected in parallel or in series with one another in different ways, in order thereby to come as close as possible to the terminal voltage U K of the battery 2 to an optimum operating point of the DC / DC converter 5 a, or within to remain predetermined, narrow voltage limits of the DC / DC converter 5a.
  • the entire interconnection takes place dynamically, according to the loading
  • switch S may be switched in sub-second, second, minute or hourly intervals.
  • Switching structures with cells Z conceivable.
  • FIG. 2 shows a parallel connection of strings having a plurality of serially connected cells Z, where Z defines a first cell in a first column, Z 12 a second cell in the first column, etc.
  • the cyclic exchange of the cells Z should preferably be faster, the higher the charge / discharge current, because with higher currents faster debalancing of the cells Z can be set.
  • a maximum number of cells Z should be present in the switching group 7, so that in this way as many cells Z as possible are involved in the loading / unloading processes, which favors a uniform charge state of as many cells Z as possible.
  • FIG. 3 a shows a total of six cells, which are connected in two cell modules 3 in such a way that two strings of three series-connected cells Z are connected in parallel.
  • a single cell Z mn is removed at periodic intervals in each case from the switching network 7 and taken back into the switching network 7.
  • Fig. 3b shows in principle that due to changing charge states and thereby increasing electrical voltages at the cells Z now in one
  • Switching step of the switching network 7 is changed such that only two cells Z are connected in series, in each case two cells Z in three parallel
  • a cell Z mn is in turn cyclically out of the switching network Taken out, it being provided that the recessed cells Z mn are cyclically exchanged within the switching network 7, so that in each case at periodic intervals another cell Z is taken out of the switching network 7. As a result, a very uniform state of charge of the cells Z can advantageously be achieved.
  • cells Z with a higher state of charge can be temporarily switched off, and in this way approach the other cells Z with the highest state of charge. The same can also be achieved during unloading by temporary removal of the least charged cells Z.
  • An example not shown in the figures of the interconnection according to the invention can be performed with a hundred cells Z.
  • a parallel connection of ten strings to ten series-connected cells Z is performed.
  • increasing voltage of the switching network 7 is changed into a parallel interconnection of eleven strands, each with nine series-connected cells Z, in each case a single cell Z is switched out alternately.
  • twelve strings are connected in parallel to eight series-connected cells Z, with four cells being alternately switched out in each case.
  • FIG. 4 shows an overall arrangement of a DC voltage generating system in which the switching device 10 according to the invention can be used. It can be seen that a plurality of serially connected DC voltage generators 4 feed into an inverter 5, wherein the overall arrangement can be expanded in a line with further DC voltage generators 4.
  • the DC voltage generator 4 may, for example, alternatively, as a combined heat and power.
  • the DC / DC converter 5 a of the battery 2 can also be completely dispensed with, as a result of which the battery 2 is fed directly into the DC bus 6 of the battery 2
  • Inverter 5 feeds.
  • a constant DC link voltage is optimal from the point of view of the DC / DC converter 5a. This should correspond to the maximum permissible DC link voltage, which the power semiconductors of the converters 5a, 5b of the inverter 5 of the DC voltage generator can still reliably control (for example approximately 450 V for 600 V semiconductors).
  • the maximum variability of the voltage of the DC voltage generator 4 can be ensured, since the panel voltage must always be less than or equal to the intermediate circuit voltage.
  • an expensive intermediate circuit capacitor for the intermediate circuit 6 can advantageously be saved.
  • the cells in the battery 2 are variably and dynamically connected as described above.
  • a defined number of cells Z has a defined total voltage in the discharged state. This voltage should be kept constant during the charging / discharging of the battery 2. For this purpose, fewer cells Z are connected in series during charging. The electrical voltage of the single cell increases with the charge, whereby fewer cells must be connected in series to the defined
  • Cells Z are connected in series and thus a defined total voltage is reached.
  • control device 1 it is possible for the control device 1 to drive the DC / DC converter 5a of the DC voltage generator 4, for example by instructing the DC voltage generator 4 to provide a higher DC link voltage, thereby charging the battery 2. This way a can efficient cooperation between the switching device 10 according to the invention and the inverter 5 of the DC voltage generator 4 can be achieved.
  • the present invention provides improved terminal voltage stability of a battery by variably interconnecting cells of the battery.
  • a required output voltage of the DC / DC converter of the battery can be kept in a narrow voltage range.
  • an operating period-extending cell balancing (English, cell balancing, reaching the same state of charge of all cells) is carried out.

Abstract

The invention devises a switching device (10) for a battery (2), comprising: a control device (1); and a control switch (S); wherein, by means of the switch (S) activated by the control device (1), cells (Z) of the battery (2) can be wired to one another variably in such a way that a terminal voltage of the battery (2) is substantially independent of the state of charge of the cells (Z).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Schaltvorrichtung für eine Batterie und entsprechendes Schaltverfahren Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für eine Batterie. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verschalten von Zellen einer Batterie.  Switching device for a battery and corresponding switching method The invention relates to a switching device for a battery. The invention further relates to a method for interconnecting cells of a battery.
Stand der Technik Heutzutage werden elektrische Energiespeicher in Form von Akkumulatoren PRIOR ART Nowadays, electrical energy stores are in the form of accumulators
(wiederaufladbare Batterien) an Gleichspannungserzeuger in unterschiedlichen elektrischen Schaltungstopologien mit eingebunden. (rechargeable batteries) to DC generators in different electrical circuit topologies with integrated.
DE 21 2008 000 035 111 offenbart einen Hochfrequenz-Wechselrichter zur Umwandlung einer von zumindest einem Solarmodul erzeugten Gleichspannung über zumindest einen Eingangs-DC/DC-Wandler, einen Zwischenkreis und einen Ausgangs-DC/AC-Wandler in eine Wechselspannung zur Versorgung von Verbrauchern und bzw. oder zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz. Dabei ist der Eingangs-DC/DC-Wandler mit einer Steuervorrichtung verbunden. DE 21 2008 000 035 111 discloses a high-frequency inverter for converting a DC voltage generated by at least one solar module via at least one input DC / DC converter, an intermediate circuit and an output DC / AC converter into an AC voltage for supplying consumers and or for feeding into a supply network. In this case, the input DC / DC converter is connected to a control device.
US 2004/0125618 A1 offenbart ein Strom richtersystem, welches verschiedene Typen von elektrischen Stromquellen miteinander verbindet und einen definierten Typ von elektrischer Energie, zum Beispiel eine Standard-Netzspannungsversorgung für eine Last bereitstellt. Jede der elektrischen Stromquellen ist elektrisch von der Last und auch gegeneinander isoliert. Ein entsprechender Eingangswandler ist mit jeder Stromquelle verbunden. US 2004/0125618 A1 discloses a power converter system which interconnects various types of electrical power sources and provides a defined type of electrical power, for example a standard mains voltage supply for a load. Each of the electrical power sources is electrically isolated from the load and also against each other. A corresponding input transducer is connected to each power source.
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung schafft eine Schaltvorrichtung für eine Batterie, aufweisend: Disclosure of Invention The invention provides a switching device for a battery, comprising:
- eine Steuerungseinrichtung; und - Schalter; wobei mittels der von der Steuerungseinrichtung angesteuerten Schalter Zellen der Batterie variabel derart miteinander verschaltet werden können, dass eine Klemmenspannung der Batterie im Wesentlichen unabhängig von einem Ladezustand der Zellen ist. a control device; and - Switch; wherein by means of the controlled by the controller switch cells of the battery can be variably interconnected such that a terminal voltage of the battery is substantially independent of a state of charge of the cells.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Verschalten von Zellen einer Batterie geschaffen, welches folgende Schritte aufweist: According to a further aspect, the invention provides a method for interconnecting cells of a battery, comprising the following steps:
- Ermitteln eines Ladezustands der Zellen; und  Determining a state of charge of the cells; and
- Verschalten der Zellen der Batterie mittels Schaltern derart, dass eine Klemmen- Spannung der Batterie im Wesentlichen unabhängig von einem Ladezustand der Zellen ist.  - Connecting the cells of the battery by means of switches such that a terminal voltage of the battery is substantially independent of a state of charge of the cells.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Vorteile der Erfindung Preferred developments are the subject of dependent claims. Advantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass eine The idea underlying the present invention is that a
Klemmenspannung einer Batterie mit aufladbaren Zellen im Wesentlichen unabhängig von einem Ladezustand der Zellen sein soll. Durch das erfindungsgemäße Verschalten der Zellen kann die Batterie verbessert an einen Wechselrichter eines Gleichspannungserzeugers angebunden werden. Insbesondere wird durch die konstante Klemmenspannung der Batterie eine Konstanz einer Zwischenkreisspannung des Wechselrichters begünstigt. Dadurch kann der Wechselrichter der Batterie in vorteilhafter Weise leistungsoptimierter ausgelegt werden, beispielsweise kann ein Spannungshub des Wechselrichters geringer sein. Vorteilhaft können dadurch Wechselrichter für den Terminal voltage of a battery with rechargeable cells should be substantially independent of a state of charge of the cells. By interconnecting the cells according to the invention, the battery can be better connected to an inverter of a DC voltage generator. In particular, the constancy of a DC link voltage of the inverter is favored by the constant terminal voltage of the battery. As a result, the inverter of the battery can be designed to be more power-optimized in an advantageous manner, for example, a voltage swing of the inverter can be lower. Advantageously, thereby inverter for the
Gleichspannungserzeuger weniger verlustbehaftet sein und kostengünstiger hergestellt werden.  DC voltage generator be less lossy and cheaper to manufacture.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltvorrichtung sieht vor, dass zum Ermitteln des Ladezustands elektrische Spannungen jeder einzelnen Zelle der Batterie ermittelt werden. Vorteilhaft können durch dieses Direktmessen der elektrischen Spannungen leistungsschwache Zellen vor einem vollständigen Entladen mit negativem Einfluss auf die An advantageous development of the switching device provides that for determining the state of charge electrical voltages of each cell of the battery are determined. Advantageously, by this direct measurement of the electrical voltages low-performance cells before a complete discharge with a negative impact on the
Lebensdauer bewahrt werden. Des Weiteren kann durch Entladung aller Zellen auf den minimalen Ladezustand eine höhere Kapazität der Batterie genutzt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltvorrichtung sieht vor, dass Zellenmodule mit wenigstens einer Zelle miteinander verschaltet werden. Dadurch kann vorteilhaft ein vereinfachter Schaltermechanismus eingesetzt werden, da eine Anzahl der Zellenmodule in der Regel kleiner ist als eine Anzahl der Zellen. Lifespan be preserved. Furthermore, by discharging all cells to the minimum state of charge, a higher capacity of the battery can be used. A preferred embodiment of the switching device provides that cell modules are interconnected with at least one cell. This advantageously makes it possible to use a simplified switch mechanism, since a number of cell modules is generally smaller than a number of cells.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltvorrichtung sieht vor, dass mittels der Schalter eine definierte Anzahl von Zellen in Serie und/oder parallel geschaltet werden können. Dadurch lassen sich vorteilhaft sehr flexible Schaltstrukturen bzw. Schaltverbunde von Zellen generieren, wodurch eine nach außen wirkende Klemmenspannung der Batterie sehr fein eingestellt werden kann. An advantageous development of the switching device provides that by means of the switch, a defined number of cells in series and / or can be connected in parallel. As a result, it is advantageously possible to generate very flexible switching structures or switching composites of cells, as a result of which an outwardly acting terminal voltage of the battery can be set very finely.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltvorrichtung sieht vor, dass durch das An advantageous development of the switching device provides that by the
Verschalten die Klemmenspannung der Batterie an eine Zwischenkreisspannung eines Wechselrichters eines Gleichspannungserzeugers angepasst wird. Dadurch wird die Batterie an einen optimalen Arbeitsbereich des Wechselrichters angepasst, wodurch der elektrische Wandler der Batterie vorteilhaft einen geringeren Spannungshub Connect the terminal voltage of the battery is adapted to an intermediate circuit voltage of an inverter of a DC voltage generator. As a result, the battery is adapted to an optimal working range of the inverter, whereby the electrical converter of the battery advantageously a lower voltage swing
bewerkstelligen muss und dadurch leistungsschwächer dimensioniert werden kann. has to accomplish and thus can be dimensioned less powerful.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Schaltvorrichtung sieht vor, dass die Schalt- Vorrichtung innerhalb der Batterie angeordnet ist. Dadurch ist vorteilhaft eine An advantageous embodiment of the switching device provides that the switching device is disposed within the battery. This is advantageous one
Verwendungsvielfalt einer mit einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ausgerüsteten Batterie erhöht.  Uses variety of equipped with a switching device according to the invention battery increases.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass für eine Häufigkeit des Verschaltens der Zellen und/oder ein Ausbilden eines Schaltverbunds der Zellen ein Ladezustand jeder einzelnen Zelle berücksichtigt wird. Dadurch wird vorteilhaft ein Ausbalancieren der Zellen bewirkt. A preferred embodiment of the method according to the invention provides that, for a frequency of interconnecting the cells and / or forming a switching interconnection of the cells, a state of charge of each individual cell is taken into account. This advantageously causes a balancing of the cells.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass elektrische Spannungen von jeder einzelnen Zelle oder von Zellenmodulen mit mehreren Zellen ermittelt werden. Dadurch wird einerseits eine Direktmessung der Zellenspannungen durchgeführt, wodurch eine Güte der einzelnen Zellen ermittelt wird. Alternativ wird eine Modulmessung an Zellenmodulen mit mehreren Zellen durchgeführt, wobei jeweils eine elektrische Spannung eines Schaltverbunds von Zellen gemessen wird. Aus einer Differenzbildung von Modulspannungen kann dabei auf Ladungszustände von Einzelzellen geschlossen werden. Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass während des Verschaltens Zellen zyklisch aus dem Schaltverbund herausgenommen und in den Schaltverbund hineingenommen werden. Dadurch wird mittels eines Ringtauschs eine Regelmäßigkeit des Ladens und Entladens der Zellen unterstützt, weil keine Zelle für einen längeren Zeitraum komplett aus einem Lade-/Entladevorgang ausgeschlossen ist. Ein gleichmäßiger Ladungszustand und damit eine verlängerte Betriebsdauer der Zellen sind auf diese Weise unterstützt. A preferred embodiment of the method provides that electrical voltages are determined by each individual cell or cell modules with a plurality of cells. As a result, on the one hand a direct measurement of the cell voltages is carried out, whereby a quality of the individual cells is determined. Alternatively, a module measurement is performed on cell modules having a plurality of cells, wherein in each case an electrical voltage of a switching group of cells is measured. From a difference of module voltages can be concluded that charge states of single cells. A preferred embodiment of the method provides that cells are cyclically removed from the switching network during interconnection and taken into the switching network. As a result, a regular exchange of charging and discharging of the cells is supported by means of a ring exchange, because no cell is completely excluded from a charge / discharge process for a longer period of time. A uniform state of charge and thus an extended operating life of the cells are supported in this way.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrensverfahrens sieht vor, dass das A preferred embodiment of the method provides that the
Herausnehmen der Zellen aus dem Schaltverbund in Abhängigkeit vom Ladezustand der Zellen durchgeführt wird. Dies reduziert in vorteilhafter Weise noch weiter eine Taking out the cells from the switching network depending on the state of charge of the cells is performed. This advantageously further reduces one
Ungleichverteilung von Ladezuständen der Zellen. Unequal distribution of states of charge of the cells.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens schlägt vor, dass eine Häufigkeit eines Änderns der Verschaltung der Zellen von einer Höhe eines Stroms innerhalb des An advantageous development of the method proposes that a frequency of changing the interconnection of the cells from a level of a current within the
Schaltverbunds abhängt. Dadurch wird vorteilhaft die Tatsache berücksichtigt, dass eine Änderung eines Ladezustands der Zelle von einer Stromstärke eines Ladestroms abhängt. Dadurch können Ladezustände der einzelnen Zellen zellenindividuell berücksichtigt werden.  Switching group depends. This advantageously takes into account the fact that a change in a state of charge of the cell depends on a current intensity of a charging current. As a result, charge states of the individual cells can be taken into account individually for each cell.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass stets eine definierte Anzahl von Zellen aus dem Schaltverbund ausgenommen bleibt, wobei die ausgenommenen Zellen zyklisch ausgetauscht werden. Dadurch wird erreicht, dass jeweils eine definierte Anzahl von Zellen im Schaltverbund vorgesehen ist, wodurch in Verbindung mit dem zyklischen Austauschen der ausgenommenen Zellen vorteilhaft ein gleichmäßiger Ladezustand der Zellen unterstützt ist. An advantageous development of the method provides that always a defined number of cells remains excluded from the switching network, wherein the recessed cells are exchanged cyclically. This ensures that in each case a defined number of cells is provided in the switching network, which is advantageous in conjunction with the cyclic replacement of the recessed cells, a uniform state of charge of the cells is supported.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das zyklische A preferred embodiment of the method provides that the cyclic
Austauschen der Zellen umso schneller durchgeführt wird, je höher ein Lade/Entlade- ström der Zellen ist. Dadurch wird vorteilhaft die Tatsache berücksichtigt, dass eineThe higher the charge / discharge flow of the cells, the quicker the cells are to be exchanged. This advantageously takes into account the fact that a
Debalancierung der Zellen in hohem Maße von einer Stromstärke abhängt. Somit kann auf diese Weise einer Debalancierung von Zellen entgegengewirkt werden. Debalancing of the cells depends to a high degree on a current strength. Thus, a debalancing of cells can be counteracted in this way.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Zellen derart verschaltet werden, dass die Zellen der Schaltverbunde eine möglichst große Anzahl von Zellen umfassen. Dadurch wird vorteilhaft eine maximale Anzahl von Zellen in den Schaltverbund aufgenommen, wodurch eine maximal Anzahl von Zellen am A preferred embodiment of the method provides that the cells are connected in such a way that the cells of the switching networks comprise the largest possible number of cells. This will advantageously a maximum number of cells in the Switching group added, creating a maximum number of cells on
Lade/Entladevorgang beteiligt wird. Vorteilhaft wird dadurch ein gleichmäßiger Loading / unloading is involved. This advantageously becomes more uniform
Ladezustand der Zellen unterstützt. Charge state of the cells supported.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency, as well as regardless of their formulation or representation in the description or in the figures. The figures are primarily intended to illustrate the principles essential to the invention. In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 a eine Konfiguration mit einem Gleichspannungserzeuger und Fig. 1 a shows a configuration with a DC voltage generator and
Batterie gemäß Stand der Technik;  Battery according to the prior art;
Fig. 1 b eine weitere Konfiguration mit einem Gleichspannungserzeuger und einer Batterie gemäß Stand der Technik; Fig. 1b shows a further configuration with a DC voltage generator and a battery according to the prior art;
Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung; 2 shows an embodiment of a switching device according to the invention;
Fig. 3a eine Konfiguration eines erfindungsgemäßen Schaltverbunds von Zellen einer Batterie; 3a shows a configuration of a switching network according to the invention of cells of a battery;
Fig. 3b eine weitere Konfiguration eines erfindungsgemäßen Schaltverbunds von Zellen einer Batterie; und 3b shows a further configuration of a switching network according to the invention of cells of a battery; and
Fig. 4 eine Konfiguration eines Gleichspannungserzeugungssystems, in FIG. 4 shows a configuration of a DC power generation system, in FIG
welchem die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung verwendet wird. Ausführungsformen der Erfindung which the switching device according to the invention is used. Embodiments of the invention
Fig. 1 a ist eine stark vereinfachte, prinzipielle Darstellung eines herkömmlichen Systems mit einem Gleichspannungserzeuger 4 und einer wiederaufladbaren Batterie 2. Der Gleichspannungserzeuger 4 kann beispielsweise als eine Photovoltaikanlage mit mehreren Paneelen ausgebildet sein, welche eine Gleichspannung generieren und diese zu einer Umwandlung in einen Wechselrichter 5 einspeisen. Der Wechselrichter 5 weist intern einen DC/DC-Wandler 5a (Gleichspannungswandler) und einen AC/DC Wandler 5b (Gleichspannungs/Wechselspannungswandler) auf, wobei zwischen dem DC/DC Wandler 5a und dem die AC/DC Wandler 5b ein Zwischenkreis 6 angeordnet ist. Eine Ausgangsspannung des Wechselrichters 5 speist ein elektrisches Netz 8 (z.B. ein Wechselspannungsnetz eines Haushalts) und/oder versorgt elektrische Verbraucher. 1 a is a greatly simplified, schematic representation of a conventional system with a DC voltage generator 4 and a rechargeable battery 2. The DC voltage generator 4 may be formed, for example, as a photovoltaic system with a plurality of panels which generate a DC voltage and this to a conversion into an inverter 5 feed. The inverter 5 has internally a DC / DC converter 5a (DC-DC converter) and an AC / DC converter 5b (DC / AC converter), wherein between the DC / DC converter 5a and the AC / DC converter 5b, an intermediate circuit 6 is arranged , An output voltage of the inverter 5 feeds an electrical network 8 (e.g., household AC mains) and / or supplies electrical consumers.
Weiterhin ist im System eine Batterie 2 mit wiederaufladbaren Zellen (nicht dargestellt) vorgesehen, welche eine Gleichspannung in einen Wechselrichter 5 einspeist, wobei eine Ausgangsspannung des Wechselrichters 5 ebenfalls das Netz 8 speist und/oder elektrische Verbraucher versorgt. Der Wechselrichter 5 der Batterie 2 umfasst einen bidirektionalen (Stromfluss in zwei Richtungen möglich) AC/DC-Wandler 5b und einen DC/DC-Wandler 5a zu einer Einstellung der momentan erforderlichen Lade- oder Furthermore, a battery 2 with rechargeable cells (not shown) is provided in the system, which feeds a DC voltage into an inverter 5, wherein an output voltage of the inverter 5 also feeds the network 8 and / or supplies electrical consumers. The inverter 5 of the battery 2 includes a bi-directional (two-way current flow possible) AC / DC converter 5 b and a DC / DC converter 5 a for setting the currently required charging or
Entladespannung für die Batterie 2. Discharge voltage for the battery 2.
In einer alternativen herkömmlichen Konfiguration gemäß Fig. 1 b wird die Batterie 2 über einen DC/DC-Wandler 5a direkt mit einem Zwischenkreis 6 des Wechselrichters 5 des Gleichspannungserzeugers 4 verbunden. Auf diese Art und Weise benötigt man gegenüber der Konfiguration von Fig. 1 a einen Wandler weniger. In an alternative conventional configuration according to FIG. 1 b, the battery 2 is connected directly to a DC link 6 of the inverter 5 of the DC voltage generator 4 via a DC / DC converter 5 a. In this way one needs compared to the configuration of Fig. 1 a one less transducer.
Nachdem eine Klemmenspannung Uk der Batterie 2 je nach Batterietechnologie in hohem Maße von einem Ladezustand der einzelnen Zellen der Batterie 2 abhängt, muss der DC/DC-Wandler 5a unter Umständen hohe Spannungshübe ausführen, um ein erforderliches Spannungsniveau für den Zwischenkreis 6 des Wechselrichters 5 bereitzustellen. Um also den DC/DC-Wandler 5a der Batterie 2 hinsichtlich eines After a terminal voltage U k of the battery 2 depending on the battery technology depends to a high degree on a state of charge of the individual cells of the battery 2, the DC / DC converter 5 a may have to perform high voltage strokes to a required voltage level for the intermediate circuit 6 of the inverter. 5 provide. Thus, the DC / DC converter 5a of the battery 2 with respect to a
Schaltungsaufwands und einer Effizienz über einen Arbeitsbereich optimiert auslegen zu können, ist eine möglichst konstante Ein- und Ausgangsspannung seitens der Batterie 2 wünschenswert. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass eine Schaltvorrichtung bzw. ein Circuit complexity and efficiency over a work area to be able to design optimized, the most constant input and output voltage from the battery 2 is desirable. According to the invention it is therefore provided that a switching device or a
Schaltmechanismus bereitgestellt wird, welche mittels einer variablen, dynamischen Verschaltung der Zellen der Batterie 2 eine möglichst konstante Klemmenspannung der Batterie 2 bereitstellt. Switching mechanism is provided which provides by means of a variable, dynamic interconnection of the cells of the battery 2 as constant a terminal voltage of the battery 2.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung. Die Schaltvorrichtung 10 umfasst eine Steuerungseinrichtung 1 (beispielsweise einen MikroController), mittels der eine Vielzahl von Schaltern S (z.B. elektronische Schalter) angesteuert und betätigt werden können. Mittels der Schalter S und der Steuerungs- einrichtung 1 können die Zellen Z variabel derart miteinander verschaltet werden, dass eine Klemmenspannung Uk der Batterie 2 im Wesentlichen unabhängig von Fig. 2 shows a first embodiment of the switching device according to the invention. The switching device 10 comprises a control device 1 (for example a microcontroller), by means of which a plurality of switches S (eg electronic switches) can be activated and operated. By means of the switches S and the control device 1, the cells Z can be variably interconnected in such a way that a terminal voltage U k of the battery 2 is substantially independent of
Ladezuständen der Zellen Z ist. Charge states of the cells Z is.
Es ist bekannt, dass eine elektrische Spannung von wiederaufladbaren Batteriezellen stark von ihrem aktuellen Ladezustand abhängt. Beispielsweise beträgt eine elektrische Zellenspannung einer Lithium-Ionen-Zelle im entladenen Zustand ca. 2,5 V und im geladenen Zustand ca. 4,2 V. Dadurch ist eine elektrische Gesamtspannung von mehreren verschalteten Zellen Z nachteilig in hohem Maße von den Ladezuständen der einzelnen Zellen Z abhängig. It is known that an electrical voltage of rechargeable battery cells depends strongly on their current state of charge. By way of example, an electrical cell voltage of a lithium-ion cell in the discharged state is approximately 2.5 V and in the charged state approximately 4.2 V. As a result, a total electrical voltage of a plurality of interconnected cells Z is disadvantageously highly dependent on the states of charge of the individual Cells Z dependent.
Um diesem Umstand entgegenzuwirken, wird mittels der Schalter S eine Schaltstruktur bzw. ein Schaltverbund 7 der Zellen Z derart ausgestaltet und nach aktuellen To counteract this fact, by means of the switch S, a switching structure or a switching network 7 of the cells Z is configured and current
Erfordernissen adaptiert, dass eine Klemmenspannung Uk der Batterie 2 möglichst konstant ist. Zu diesem Zweck wird ein Ladezustand der einzelnen Zellen Z ermittelt. Beispielsweise kann dies mittels einer Ermittlungseinrichtung (nicht dargestellt) erfolgen, wobei elektrische Spannungen der einzelnen Zellen Z ermittelt werden oder elektrische Spannungen von Zellenmodulen 3 mit mehreren Zellen Z. Lediglich beispielhaft sind in Fig. 2 zwei Zellenmodule 3 dargestellt. Dadurch kann für das erfindungsgemäße Verschalten der individuelle Ladezustand jeder einzelnen Zelle Z berücksichtigt werden. Die Zellenmodule 3 können im Extremfall aus einzelnen Zellen Z bestehen. Ein weiterer Extremfall ist die Messung der Gesamtspannung und einen Neuverschaltung alleinig mit dieser Information. Requirement adapted that a terminal voltage U k of the battery 2 is as constant as possible. For this purpose, a state of charge of the individual cells Z is determined. For example, this can be done by means of a determination device (not shown), wherein electrical voltages of the individual cells Z are determined or electrical voltages of cell modules 3 having a plurality of cells Z. By way of example only two cell modules 3 are shown in FIG. As a result, the individual state of charge of each individual cell Z can be taken into account for the interconnection according to the invention. The cell modules 3 can in extreme cases consist of individual cells Z. Another extreme case is the measurement of the total voltage and a reconnection solely with this information.
Die Zellenmodule 3 werden auf unterschiedliche Weise parallel oder seriell miteinander verschaltet, um dadurch mit der Klemmenspannung UK der Batterie 2 einem optimalen Betriebspunkt des DC/DC-Wandlers 5a möglichst nahe zu kommen, bzw. innerhalb von vorbestimmten, engen Spannungsgrenzen des DC/DC-Wandlers 5a zu bleiben. Die gesamte Verschaltung findet dynamisch statt, entsprechend der beim Laden The cell modules 3 are connected in parallel or in series with one another in different ways, in order thereby to come as close as possible to the terminal voltage U K of the battery 2 to an optimum operating point of the DC / DC converter 5 a, or within to remain predetermined, narrow voltage limits of the DC / DC converter 5a. The entire interconnection takes place dynamically, according to the loading
ansteigenden bzw. beim Entladen abfallenden Spannung der Zellen Z. Beispielsweise kann dabei im Sub-Sekunden-, Sekunden-, Minuten- oder Stundentakt geschaltet werden. Mittels der Schalter S ist somit eine nahezu unbegrenzte Vielzahl von möglichen For example, it may be switched in sub-second, second, minute or hourly intervals. By means of the switch S is thus an almost unlimited variety of possible
Schaltstrukturen mit Zellen Z denkbar. Beispielsweise können Zellen Z und/oder Switching structures with cells Z conceivable. For example, cells Z and / or
Zellenmodule 3 seriell und/oder parallel verschaltet werden. Durch Überbrücken von Zellen Z mittels der Schalter S werden Zellenspannungen für eine Gesamtspannung nicht berücksichtigt. Lediglich exemplarisch ist in Fig. 2 eine Parallelschaltung von Strängen mit mehreren in Serie geschalteten Zellen Z dargestellt, wobei Z eine erste Zelle in einer ersten Spalte definiert, Z12 eine zweite Zelle in der ersten Spalte, usw. Cell modules 3 are connected in series and / or in parallel. By bridging cells Z by means of the switches S, cell voltages for a total voltage are not considered. By way of example only, FIG. 2 shows a parallel connection of strings having a plurality of serially connected cells Z, where Z defines a first cell in a first column, Z 12 a second cell in the first column, etc.
Um eine Vergleichmäßigung des Ladezustands der einzelnen Zellen Z zu erreichen, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass einzelne Zellen Z zyklisch jeweils aus dem Schalt- verbünd 7 herausgenommen bzw. in den Schaltverbund 7 hineingenommen werden. Auf diese Weise wird keine der Zellen Z auf Dauer von einem Laden/ Entladen In order to achieve a homogenization of the state of charge of the individual cells Z, it is preferably provided that individual cells Z are cyclically removed from the switching assembly 7 or taken into the switching assembly 7, respectively. In this way, none of the cells Z is permanently charged / discharged
ausgeschlossen. Das zyklische Durchtauschen der Zellen Z sollte vorzugsweise umso schneller geschehen, je höher der Lade-/Entladestrom ist, weil sich mit höheren Strömen schneller eine Debalancierung der Zellen Z einstellen kann. Vorzugsweise sollte jeweils eine maximale Anzahl von Zellen Z im Schaltverbund 7 vorhanden sein, sodass auf diese Weise möglichst viele Zellen Z an den Lade-/Entladevorgängen beteiligt sind, was einen gleichmäßigen Ladezustand möglichst vieler Zellen Z begünstigt. locked out. The cyclic exchange of the cells Z should preferably be faster, the higher the charge / discharge current, because with higher currents faster debalancing of the cells Z can be set. Preferably, in each case a maximum number of cells Z should be present in the switching group 7, so that in this way as many cells Z as possible are involved in the loading / unloading processes, which favors a uniform charge state of as many cells Z as possible.
Anhand von zwei prinzipiellen Schaltverbunden 7 von Zellen Z wird anhand der Figuren 3a und 3b die dynamische Wirkungsweise des Schaltens prinzipiell erläutert, wobei zu einer besseren Übersicht die Schalter S nicht dargestellt sind. Fig. 3a zeigt insgesamt sechs Zellen, die in zwei Zellenmodulen 3 derart verschaltet sind, dass zwei Stränge aus jeweils drei seriell geschalteten Zellen Z parallel geschaltet sind. Eine einzelne Zelle Zmn wird in periodischen Abständen jeweils aus dem Schaltverbund 7 herausgenommen und wieder in den Schaltverbund 7 hineingenommen. Based on two principal switching connections 7 of cells Z, the dynamic mode of operation of the switching is explained in principle with reference to FIGS. 3a and 3b, the switches S not being shown for a better overview. FIG. 3 a shows a total of six cells, which are connected in two cell modules 3 in such a way that two strings of three series-connected cells Z are connected in parallel. A single cell Z mn is removed at periodic intervals in each case from the switching network 7 and taken back into the switching network 7.
Fig. 3b stellt prinzipiell dar, dass aufgrund von sich ändernden Ladezuständen und dadurch steigenden elektrischen Spannungen an den Zellen Z nunmehr in einem Fig. 3b shows in principle that due to changing charge states and thereby increasing electrical voltages at the cells Z now in one
Schaltschritt der Schaltverbund 7 derart geändert wird, dass nur noch jeweils zwei Zellen Z in Serie geschaltet sind, wobei jeweils zwei Zellen Z in drei parallelgeschalteten Switching step of the switching network 7 is changed such that only two cells Z are connected in series, in each case two cells Z in three parallel
Strängen angeordnet sind. Eine Zelle Zmn wird wiederum zyklisch aus dem Schaltverbund 7 herausgenommen, wobei vorgesehen ist, dass die ausgenommenen Zellen Zmn innerhalb des Schaltverbunds 7 zyklisch durchgetauscht werden, sodass jeweils in periodischen Abständen eine andere Zelle Z aus dem Schaltverbund 7 herausgenommen wird. Dadurch kann vorteilhaft ein sehr gleichmäßiger Ladezustand der Zellen Z erreicht werden. Strands are arranged. A cell Z mn is in turn cyclically out of the switching network Taken out, it being provided that the recessed cells Z mn are cyclically exchanged within the switching network 7, so that in each case at periodic intervals another cell Z is taken out of the switching network 7. As a result, a very uniform state of charge of the cells Z can advantageously be achieved.
Beim Laden können Zellen Z mit höherem Ladezustand zeitweise weggeschaltet werden, und sich auf diese Weise an die anderen Zellen Z mit dem höchsten Ladezustand anzunähern. Gleiches kann auch beim Entladen durch zeitweises Herausnehmen der am wenigsten geladenen Zellen Z erreicht werden. When charging, cells Z with a higher state of charge can be temporarily switched off, and in this way approach the other cells Z with the highest state of charge. The same can also be achieved during unloading by temporary removal of the least charged cells Z.
Ein in den Figuren nicht dargestelltes Beispiel des erfindungsgemäßen Verschaltens kann mit hundert Zellen Z durchgeführt werden. Bei einer niedrigen elektrischen Spannung wird eine parallele Verschaltung von zehn Strängen zu jeweils zehn seriell geschalteten Zellen Z durchgeführt. Mit steigender Spannung wird der Schaltverbund 7 in eine parallele Verschaltung von elf Strängen mit jeweils neun seriell geschalteten Zellen Z geändert, wobei jeweils eine einzelne Zelle Z alternierend herausgeschaltet wird. Mit weiter steigender Spannung werden zwölf Stränge zu je acht seriell geschalteten Zellen Z parallel geschaltet, wobei alternierend jeweils vier Zellen herausgeschaltet werden. An example not shown in the figures of the interconnection according to the invention can be performed with a hundred cells Z. At a low electrical voltage, a parallel connection of ten strings to ten series-connected cells Z is performed. With increasing voltage of the switching network 7 is changed into a parallel interconnection of eleven strands, each with nine series-connected cells Z, in each case a single cell Z is switched out alternately. With further increasing voltage, twelve strings are connected in parallel to eight series-connected cells Z, with four cells being alternately switched out in each case.
Schließlich werden vierzehn Stränge zu je sieben seriell geschalteten Zellen parallel geschaltet, wobei alternierend jeweils zwei Zellen Z aus dem Schaltverbund 7 Finally, fourteen strings are connected in parallel to each of seven cells connected in series, with two cells Z from the switching group 7 alternating in each case
herausgeschaltet werden. be switched out.
Man erkennt also, dass auf diese Weise mit unterschiedlichen Schaltverbunden 7 eine im Wesentlichen konstante Gesamtspannung des Schaltverbunds 7 bzw. Klemmenspannung Uk der Batterie 2 erreicht werden kann. Durch das zyklische Durchtauschen von einzelnen Zellen Z wird verhindert, dass einzelne Zellen Z ungleichmäßig geladen/entladen werden. Damit wird erreicht, dass alle Zellen Z der Batterie 2 im Wesentlichen auf dem gleichen Spannungsniveau und somit im Wesentlichen auf dem gleichen Ladezustand bleiben. It can thus be seen that a substantially constant total voltage of the switching network 7 or terminal voltage U k of the battery 2 can be achieved in this way with different switching connections 7. The cyclic exchange of individual cells Z prevents individual cells Z from being charged / discharged unevenly. This ensures that all cells Z of the battery 2 remain substantially at the same voltage level and thus substantially at the same state of charge.
Wenn die Zellen Z zu Zellenmodulen 3 zusammengefasst und die Zellenmodule 3 gemäß den oben beschriebenen Prinzipien verschaltet werden, kann zwar unter Umständen nicht die gleiche Spannungskonstanz wie mit einzelnen Zellen Z erreicht werden. Dies ist dadurch begründet, dass jedes Zellenmodul 3 durch das Verschalten von Zellen Z eine höhere Spannung besitzt als die einzelne Zelle Z. Allerdings kann auf diese Weise eine Anzahl von Schaltern S bedeutsam verringert sein. Fig. 4 zeigt eine prinzipielle Gesamtanordnung eines Gleichspannungserzeugungs- systems, in welchem die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 10 verwendet werden kann. Man erkennt, dass mehrere seriell geschaltete Gleichspannungserzeuger 4 in einen Wechselrichter 5 einspeisen, wobei die Gesamtanordnung strangweise mit weiteren Gleichspannungserzeugern 4 erweiterbar ist. Der Gleichspannungserzeuger 4 kann beispielsweise alternativ auch als eine Kraft-Wärme-Kopplung. If the cells Z are combined to form cell modules 3 and the cell modules 3 are connected in accordance with the principles described above, it is true that under certain circumstances the same voltage constancy as with individual cells Z can not be achieved. This is due to the fact that each cell module 3 has a higher voltage than the single cell Z due to the connection of cells Z. However, in this way a number of switches S can be significantly reduced. FIG. 4 shows an overall arrangement of a DC voltage generating system in which the switching device 10 according to the invention can be used. It can be seen that a plurality of serially connected DC voltage generators 4 feed into an inverter 5, wherein the overall arrangement can be expanded in a line with further DC voltage generators 4. The DC voltage generator 4 may, for example, alternatively, as a combined heat and power.
In einer denkbaren Variante kann auch gänzlich auf den DC/DC-Wandler 5a der Batterie 2 verzichtet werden, wodurch die Batterie 2 direkt in den Zwischenkreis 6 des In a conceivable variant, the DC / DC converter 5 a of the battery 2 can also be completely dispensed with, as a result of which the battery 2 is fed directly into the DC bus 6 of the battery 2
Wechselrichters 5 einspeist. Für die Ankopplung der Batterie 2 direkt am Wechselrichter- Zwischenkreis 6 ist aus Sicht des DC/DC-Wandlers 5a eine konstante Zwischenkreis- spannung optimal. Diese sollte der maximal zulässigen Zwischenkreisspannung entsprechen, die die Leistungshalbleiter der Wandler 5a, 5b des Wechselrichters 5 des Gleichspannungserzeugers noch sicher beherrschen können (z.B. ca. 450 V für 600 V- Halbleiter). Auf diese Weise kann panelseitig die maximale Variabilität der Spannung der Gleichspannungserzeuger 4 sichergestellt werden, da die Panelspannung immer kleiner oder gleich der Zwischenkreisspannung sein muss. Zudem kann dadurch vorteilhaft ein teurer Zwischenkreiskondensator für den Zwischenkreis 6 eingespart werden.  Inverter 5 feeds. For coupling the battery 2 directly to the inverter intermediate circuit 6, a constant DC link voltage is optimal from the point of view of the DC / DC converter 5a. This should correspond to the maximum permissible DC link voltage, which the power semiconductors of the converters 5a, 5b of the inverter 5 of the DC voltage generator can still reliably control (for example approximately 450 V for 600 V semiconductors). In this way, on the panel side, the maximum variability of the voltage of the DC voltage generator 4 can be ensured, since the panel voltage must always be less than or equal to the intermediate circuit voltage. In addition, an expensive intermediate circuit capacitor for the intermediate circuit 6 can advantageously be saved.
Um die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters 5 nahezu konstant zu halten und trotzdem alle Zellen der Batterie 2 gleichmäßig zu laden/zu entladen, werden die Zellen in der Batterie 2 wie oben beschrieben variabel und dynamisch verschaltet. Eine definierte Anzahl von Zellen Z hat im entladenen Zustand eine definierte Gesamtspannung. Diese Spannung soll während des Ladens/Entladens der Batterie 2 konstant gehalten werden. Zu diesem Zweck werden beim Laden nach und nach weniger Zellen Z in Serie geschaltet. Die elektrische Spannung der einzelnen Zelle steigt bei der Ladung an, wodurch weniger Zellen in Serie geschaltet werden müssen, um die definierte In order to keep the DC link voltage of the inverter 5 almost constant and yet to charge / discharge all cells of the battery 2 uniformly, the cells in the battery 2 are variably and dynamically connected as described above. A defined number of cells Z has a defined total voltage in the discharged state. This voltage should be kept constant during the charging / discharging of the battery 2. For this purpose, fewer cells Z are connected in series during charging. The electrical voltage of the single cell increases with the charge, whereby fewer cells must be connected in series to the defined
Batteriespannung zu halten. Umgekehrt werden bei einem Entladevorgang nach und nach mehr Zellen Z in Serie geschaltet, bis im vollständig entladenen Zustand wieder alleTo maintain battery voltage. Conversely, in a discharge more cells Z are connected in series, until in the fully discharged state again all
Zellen Z in Serie geschaltet sind und damit eine definierte Gesamtspannung erreicht ist. Cells Z are connected in series and thus a defined total voltage is reached.
In einer denkbaren Alternative ist es möglich, dass die Steuerungseinrichtung 1 den DC/DC-Wandler 5a des Gleichspannungserzeugers 4 ansteuert, beispielsweise indem sie den Gleichspannungserzeuger 4 instruiert, eine höhere Zwischenkreisspannung bereitzustellen, um dadurch die Batterie 2 aufzuladen. Auf diese Weise kann eine effiziente Kooperation zwischen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10 und dem Wechselrichter 5 des Gleichspannungserzeugers 4 erreicht werden. In a conceivable alternative, it is possible for the control device 1 to drive the DC / DC converter 5a of the DC voltage generator 4, for example by instructing the DC voltage generator 4 to provide a higher DC link voltage, thereby charging the battery 2. This way a can efficient cooperation between the switching device 10 according to the invention and the inverter 5 of the DC voltage generator 4 can be achieved.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Konstanz einer Klemmenspannung einer Batterie durch ein variables Verschalten von Zellen der Batterie bereitgestellt. Vorteilhaft kann mittels der Erfindung eine erforderliche Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers der Batterie in einem engen Spannungsbereich gehalten werden. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung zur effizienten In summary, the present invention provides improved terminal voltage stability of a battery by variably interconnecting cells of the battery. Advantageously, by means of the invention, a required output voltage of the DC / DC converter of the battery can be kept in a narrow voltage range. In this way, the inventive switching device for efficient
energetischen Unterstützung eines Gleichspannungserzeugungssystems verwendet werden und dadurch eine Betriebsdauer der Zellen erhöht sein. Aufgrund der verringerten Leistungsanforderungen an den DC/DC-Wandler der Batterie kann dieser vorteilhaft mit geringeren Verlusten behaftet sein und in einer kompakteren Bauform hergestellt werden. Vorteilhaft wird mittels der Erfindung ein die Betriebsdauer verlängerndes Zellen- Ausbalancieren (engl, cell balancing, Erreichen des gleichen Ladezustands aller Zellen) durchgeführt. be used to energetic support of a DC voltage generating system and thereby increased operating life of the cells. Due to the reduced power requirements of the DC / DC converter of the battery, this can advantageously be associated with lower losses and produced in a more compact design. Advantageously, by means of the invention, an operating period-extending cell balancing (English, cell balancing, reaching the same state of charge of all cells) is carried out.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Schaltstrukturen nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt. Die Erfindung lässt sich auch auf andere Batterietypen, beispielsweise auf Pb-Akkus oder Ni-Metallhydrid- Akkus anwenden. Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto. In particular, the aforementioned switching structures are only exemplary and not limited to the illustrated examples. The invention can also be applied to other types of batteries, for example Pb batteries or Ni metal hydride batteries.
Der Fachmann wird also die Merkmale der Erfindung geeignet abändern oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. The person skilled in the art will therefore suitably modify or combine the features of the invention without departing from the essence of the invention.

Claims

Ansprüche 1 . Schaltvorrichtung (10) für eine Batterie (2), aufweisend: Claims 1. Switching device (10) for a battery (2), comprising:
- eine Steuerungseinrichtung (1 ); und  - a control device (1); and
- Schalter (S); wobei mittels der von der Steuerungseinrichtung (1 ) angesteuerten Schalter (S) Zellen (Z) der Batterie (2) variabel derart miteinander verschaltet werden können, dass eine Klemmenspannung der Batterie (2) im Wesentlichen unabhängig von einem Ladezustand der Zellen (Z) ist.  - switch (S); wherein by means of the control device (1) controlled switch (S) cells (Z) of the battery (2) can be variably interconnected such that a terminal voltage of the battery (2) is substantially independent of a state of charge of the cells (Z) ,
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei zum Ermitteln des Ladezustands 2. Switching device according to claim 1, wherein for determining the state of charge
elektrische Spannungen jeder einzelnen Zelle (Z) der Batterie (2) ermittelt werden.  electrical voltages of each individual cell (Z) of the battery (2) are determined.
3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei Zellenmodule (3) mit wenigstens einer Zelle (Z) miteinander verschaltet werden. 3. Switching device according to claim 1 or 2, wherein cell modules (3) with at least one cell (Z) are interconnected.
4. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mittels der Schalter (S) eine definierte Anzahl von Zellen (Z) in Serie und/oder parallel geschaltet werden können. 4. Switching device according to one of claims 1 to 3, wherein by means of the switch (S) a defined number of cells (Z) in series and / or can be connected in parallel.
5. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei durch das Verschalten die Klemmenspannung der Batterie (2) an eine Zwischenkreisspannung eines Wechselrichters (5) eines Gleichspannungserzeugers (4) angepasst wird. 5. Switching device according to one of claims 1 to 4, wherein by connecting the terminal voltage of the battery (2) to an intermediate circuit voltage of an inverter (5) of a DC voltage generator (4) is adjusted.
6. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schaltvorrichtung (10) innerhalb der Batterie (2) angeordnet ist. 6. Switching device according to one of claims 1 to 5, wherein the switching device (10) within the battery (2) is arranged.
7. Verfahren zum Verschalten von Zellen (Z) einer Batterie (2), mit den Schritten: 7. A method for interconnecting cells (Z) of a battery (2), comprising the steps of:
- Ermitteln eines Ladezustands der Zellen (Z); und  - determining a state of charge of the cells (Z); and
- Verschalten der Zellen (Z) der Batterie (2) mittels Schaltern (S) derart, dass eine Klemmenspannung der Batterie (2) im Wesentlichen unabhängig von einem Ladezustand der Zellen (Z) ist. - Connecting the cells (Z) of the battery (2) by means of switches (S) such that a terminal voltage of the battery (2) is substantially independent of a state of charge of the cells (Z).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei für eine Häufigkeit des Verschaltens der Zellen (Z) und/oder ein Ausbilden eines Schaltverbunds (7) der Zellen (Z) ein Ladezustand jeder einzelnen Zelle (Z) berücksichtigt wird. 8. The method of claim 7, wherein for a frequency of interconnecting the cells (Z) and / or forming a switching network (7) of the cells (Z), a state of charge of each cell (Z) is taken into account.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei elektrische Spannungen von jeder einzelnen Zelle (Z) oder von Zellenmodulen (3) mit mehreren Zellen (Z) ermittelt werden. 9. The method according to claim 7 or 8, wherein electrical voltages from each individual cell (Z) or cell modules (3) with a plurality of cells (Z) are determined.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei während des Verschaltens Zellen (Z) in zyklischen Abständen aus dem Schaltverbund (7) herausgenommen und in den Schaltverbund (7) hineingenommen werden. 10. The method according to any one of claims 7 to 9, wherein removed during the interconnection cells (Z) at cyclic intervals from the switching network (7) and taken into the switching network (7).
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Herausnehmen der Zellen (Z) aus dem Schaltverbund (7) in Abhängigkeit vom Ladezustand der Zellen (Z) durchgeführt wird. 1 1. The method of claim 10, wherein the removal of the cells (Z) from the switching network (7) in dependence on the state of charge of the cells (Z) is performed.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , wobei eine Häufigkeit eines 12. The method according to any one of claims 7 to 1 1, wherein a frequency of a
Änderns der Verschaltung der Zellen (Z) von einer Höhe eines Stroms innerhalb des Schaltverbunds (7) abhängt.  Changing the interconnection of the cells (Z) depends on a level of a current within the switching group (7).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei stets eine definierte Anzahl von Zellen (Z) aus dem Schaltverbund (7) ausgenommen bleibt, wobei die ausgenommenen Zellen (Z) zyklisch ausgetauscht werden. 13. The method according to any one of claims 9 to 12, wherein always a defined number of cells (Z) is excluded from the switching network (7), wherein the recessed cells (Z) are cyclically exchanged.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das zyklische Austauschen der Zellen (Z) umso schneller durchgeführt wird, je höher ein Lade/Entladestrom der Zellen (Z) ist. 14. The method according to claim 13, wherein the cyclic exchange of the cells (Z) is performed the faster, the higher a charge / discharge current of the cells (Z).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei die Zellen (Z) derart 15. The method according to any one of claims 7 to 14, wherein the cells (Z) in such a way
verschaltet werden, dass der Schaltverbund (7) eine möglichst große Anzahl von Zellen (Z) umfasst.  be interconnected, that the switching network (7) as large as possible number of cells (Z).
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