WO1997004513A1 - Device for equalizing the charges in a multiplicity of accumulators or power converters - Google Patents

Device for equalizing the charges in a multiplicity of accumulators or power converters Download PDF

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WO1997004513A1
WO1997004513A1 PCT/EP1996/003193 EP9603193W WO9704513A1 WO 1997004513 A1 WO1997004513 A1 WO 1997004513A1 EP 9603193 W EP9603193 W EP 9603193W WO 9704513 A1 WO9704513 A1 WO 9704513A1
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energy
accumulators
converters
charge
switch
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PCT/EP1996/003193
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Inventor
Heribert Schmidt
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • H01M10/441Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • 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
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a device for charge balancing between a plurality of energy stores or energy converters, in which an inductive element can be connected in parallel to the energy stores or energy converters with the aid of switches which can be controlled by a clock generator.
  • Such a device is known from the applicant's DE 39 40 928, in which a charge equalization between a plurality of battery cells connected in series is created with the aid of centrally arranged or a plurality of decentralized flyback converters.
  • DE 39 40 929 from the applicant discloses a monitoring device for rechargeable batteries in which charge equalization is achieved with the aid of capacitors which are connected in parallel to selected rechargeable batteries. A circuit complexity similar to that of DE 39 40 928 is necessary here.
  • a device for charge exchange between a multiplicity of energy stores or converters connected in series is known, in which the charge exchange is achieved via transformer windings, which are connected to the energy stores with alternating polarity. The common core of the windings requires a certain amount of circuitry.
  • the object of the invention is to create a device of the type mentioned at the outset, in which the charge equalization can be achieved with a lower amount of circuitry compared to the prior art.
  • the inductive element is connected with its one connection between the two energy stores or energy converters and in parallel at its other connection via two switches each associated with an energy store or energy converter the respective energy store or energy converter can be switched, that a comparator circuit is provided, with which the voltages of the two energy stores or energy converters can be compared with one another or with a setpoint value, that the comparator circuit is connected to the clock generators via control lines and that in one of the comparator circuits Predeterminable switch-on phase, only one switch can be closed by the clock generator, the associated energy store or energy converter of which has the greater voltage value, so that in a switch-off phase predefinable by the comparator circuit the energy stored in the inductive element can be emitted into the lower-voltage energy store or energy converter via the other switch closed in the switch-off phase or via diodes connected in parallel with the switches.
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a device for charge equalization for two accumulators according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section of a circuit diagram of a further device for charge equalization for four accumulators shown in this section according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a section of a circuit diagram of a further device for charge equalization for four accumulators shown in this section according to a third exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows a basic circuit diagram of a window comparator for comparing the cell voltages of a device for charge equalization
  • Fig. 5 is a circuit diagram of an analog controller with pulse width modulation for a device for charge compensation.
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a device for charge equalization 10 for two accumulators 1 according to a first exemplary embodiment.
  • the device for charge equalization 10 is provided for two accumulators connected in series and forming a total energy store as energy stores 1 and 11.
  • An inductive element 23 is connected to this center tap 22, a resistor 24 serving for current monitoring being connected upstream in the exemplary embodiment shown.
  • the inductive element 23 can be connected in parallel with the energy stores 1 and 1 1 by means of switches 2 and 1 2 which can be controlled by clock generators 4 and 14, respectively.
  • energy converters can also be compensated in each case. This includes in particular all energy converting systems that consist of a series connection, such as electrolysis units and fuel cells.
  • Diodes 3 and 13 are arranged in parallel to switches 2 and 12, these diodes being connected as freewheeling diodes. These diodes can also be formed by the parasitic diodes which are present within MOS-FET switches with which the switches 2 and 1 2 can be implemented.
  • Switches 2 and 1 2 can be supplied with a clock signal by said clock generators 4 and 14, provided that there is a control command from a comparator circuit 27 which uses tapping lines 5, 15 and 25 to measure the voltages of the two energy stores 1 and 1 1 determined.
  • the voltage drop across the resistor 24 is made available to the clock generators 4 and 14, which advantageously have a current monitor.
  • the function of the circuit is based on the fact that, with the aid of the comparator circuit 27, the actual voltages of the two energy stores, also called actual values, are compared with an average battery voltage, the target value, and with the corresponding deviation in the voltage value only the clock generator 4 or 14 is acted upon by a control signal which is assigned to the higher-voltage energy store.
  • the clock generator 4 or 14 generates a high-frequency clock signal, preferably with a frequency of more than 20 kHz, with which the switch 2 or 12 is acted upon.
  • a current that increases in value flows from the higher-voltage energy store through the inductive element or also storage choke 23.
  • a switch-off phase the current flows through the diode 13 or 3 into the lower-voltage energy store. Both switches 2 and 1 2 are then open.
  • the switch 1 2 or 2 can be provided instead of the diode 13 or 3 in such a way that it then closes in the switch-off phase. The two switches 2 and 1 2 are switched on in a complementary manner, ie when switch 2 closes, switch 12 is open and vice versa.
  • the switch 2 or 1 2 assigned to the accumulator with the higher voltage is first actuated with a pulse duty factor of greater than 50 percent, the current limitation contained in the clock generators 4 or 14 in the steady state reducing the duty cycle to a value in the Limited way that a predetermined maximum equalizing current flows.
  • the clock steps are replaced by correspondingly different clock lengths.
  • the switches 2 and 1 2 and the clock generators 4 and 14 can also be implemented as integrated circuits which already contain the switches, a clock generator, an overcurrent protection device, an overtemperature protection device and also a soft start circuit.
  • the measuring lines 5, 15 and 25 are routed separately from the lines 6, 16 and 26 of the power unit in order to prevent the measured values from being falsified by voltage drops on the current-carrying lines.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device for charge equalization for a number of four accumulators shown in this example by means of several of the devices for charge equalization described in FIG. 1 according to a second exemplary embodiment.
  • the number of accumulators 1 or 11 connected in series is not limited.
  • FIG. 2 the same features are identified with the same reference symbols with respect to FIG. 1.
  • the tap lines 5, 15 and 25 shown in FIG. 1 for exact measurement of the accumulator voltages and the lines 6, 16 and 26 carrying the equalizing currents are each combined to form a line sums up.
  • the individual accumulators 1 and 11 as well as the devices for charge equalization 10 are further provided with additional indices a, b and c for better allocation.
  • the comparator circuit 27 and the clock generators and further elements have likewise been omitted (as in FIG. 3).
  • N-1 devices for charge equalization 10 are necessary which, as shown in FIG. 2, overlap by one accumulator. Since each of the N-1 devices for charge equalization 10 independently compensates for voltage differences between its two accumulators 1 and 11, an energy transfer between all cells is ultimately possible.
  • the switches present in the respective charge equalization devices 10 and designated by reference numerals 2 and 12 in FIG. 1 can be controlled both by a central clock generator and can run freely independently of one another, it then being possible to use circuits corresponding to FIG. 1.
  • the use of a central clock generator has the advantage of greater electromagnetic compatibility, since beat states between individual devices for charge balancing 10 can be avoided, which inevitably occur with independently operating clock generators.
  • the wiring of the devices for charge equalization 10 with a central clock generator can be further improved in that neighboring devices for charge equalization 10 are operated with a phase-shifted clock generator signal in order to avoid that large charging currents occur periodically on a weak accumulator when from A charge current flows into the weak accumulator on both sides of the chain of accumulators and the devices for charge equalization 10.
  • FIG. 3 shows a further possibility of arranging individual devices for charge equalization 10 according to FIG. 1 for several accumulators.
  • 3 shows a section of a circuit diagram for four accumulators shown in this section according to a third exemplary embodiment.
  • the arranged on the right side of the drawing sheet further circuit for charge equalization 10c creates a balance between those from the two batteries 1 a and 1 1 a btw. 1 b and 1 1 b formed subgroups.
  • step sizes are also conceivable and in particular actual and target voltages of different accumulator groups can be determined and processed, which is only reflected in a different length of the clock steps, provided that it is guaranteed that every smallest indivisible accumulator group or energy cell at least is present twice in order to be able to balance the at least one further charge and that each larger indivisible accumulator group or energy cell is in direct charge compensation with a corresponding multiple of smaller accumulator groups or energy cells.
  • Each device for charge equalization 10 requires the comparator circuit provided with the reference number 27 in FIG.
  • a possible embodiment of such a comparator circuit is shown in FIG. 4, which shows a basic circuit diagram of a window comparator 27 for comparing the cell voltages of a device for charge equalization 10.
  • the measuring lines 5 and 15 are led to the comparators 33 and 34 via the resistors 31 and 32.
  • the actual battery voltages are thus present at the corresponding inputs of the comparators 33 and 34.
  • the other input of the comparators 33 and 34 is to be connected to the measuring line 25.
  • the target voltage is determined via two high-resistance resistors 37 connected in series between the accumulators 1 and 11, the center tap between the two resistors 37 corresponding to the measuring line 25.
  • a control signal is thus present at each of the outputs 38 and 39 if there is a deviation of the battery voltages from the respective target value.
  • the comparators preferably have a specific one Hysteresis, which enable a control signal 38 or 39 to occur only when a minimum deviation of the battery voltages from the target value is exceeded.
  • the comparators 33 and 34 are preferably locked against one another in a time-dependent manner, so that an energy supply in one direction in a predetermined time of, for example, one second is not canceled by an energy transfer in the other direction. This prevents the circuit from vibrating.
  • the switches can also be actuated with a clock signal whose duty cycle in relation to the total period, ie the so-called pulse width, is dependent on the difference between the target battery voltage and the actual battery voltages.
  • a closed control loop is thus formed, which can be configured by a P, a PI, a PID controller or a controller with unsharp logic (fuzzy logic).
  • FIG. 5 shows such a circuit diagram of an analog controller with pulse width modulation for a device for charge equalization 10.
  • the actual value of the average battery voltage is tapped in the same way as in the device according to FIG. 4.
  • the setpoint value is determined with the aid of high-resistance resistors 37, regardless of possible battery currents, and both values are fed to a PI controller 40, which, with the help of the resistors 41 and 42, amplifies a possible difference and this difference thanks to the capacitor 43 also integrated.
  • a PI controller 40 which, with the help of the resistors 41 and 42, amplifies a possible difference and this difference thanks to the capacitor 43 also integrated.
  • there is a shift in the potential of the center tap 25 with respect to the mean battery voltage so that a signed output signal is present at the output 44 of the PI controller.
  • both a P controller and a PID controller or other controller structures can be used.
  • This output signal is rectified in a rectifier 45 and fed to a pulse width modulator 46, which creates a proportional pulse width ratio of the clock signal to the absolute value of the control deviation.
  • a pulse width modulator 46 which creates a proportional pulse width ratio of the clock signal to the absolute value of the control deviation.
  • the sign of the control deviation is determined for this output signal in a comparator 47 and the clock signal generated by the pulse width modulator 46 is fed via a corresponding logic circuit 48 to the corresponding switch connection 38 or 39, which is connected to the switch 2 or 12.
  • the comparator 47 can also work as a window comparator, which prevents the clock signal from being output if the control deviation is too small.

Abstract

The invention concerns a device (10) for equalizing the charge in two accumulators or power converters (1, 11) connected in series to form a power-storage unit. The device has an inductive element (23) which can be connected in parallel to the accumulators by means of switches (2, 12) controlled by a time-signal generator (4, 14), the inductive element (23) being connected at one of its terminals (22) between the two accumulators or power converters (1, 11) while the other terminal can be connected, by means of two switches (2, 12) associated one with each of the accumulators or power converters (1 and 11, respectively), in parallel to the respective accumulator or power converter (1 or 11). The device also includes a comparator circuit (27) by means of which the voltages of the two accumulators or power converters can be compared with each other or with a reference value. The comparator circuit (27) is connected by control lines to the time-signal generator (4, 14). During a cut-in phase initiated by the comparator circuit (27), only the switch (2 or 12) associated with the accumulator or power converter (1 or 11) with the higher voltage is closed by the time-signal generator (4 or 14) so that, in a cut-out phase also initiated by the comparator circuit (27), the power stored in the inductive element (23) is delivered through the other switch (12 or 2), which is closed during this phase, or through one of two diodes (13 and 3) connected in parallel to the switches (12 and 2, respectively) into the lower-voltage accumulator or power converter (11 or 1). When a circuit of this kind (10) is used with a multiplicity of accumulators (1, 11), the accumulators (1, 11; 1a, 11a; 1b, 11b) whose charge is equalized by one particular charge-equalization device (10) are also each associated with another charge-equalization device (10).

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von Energiespeichern oder -wandlernCharge balancing device between a plurality of energy stores or converters
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Viel¬ zahl von Energiespeichern oder Energiewandlern, bei der ein induktives Element mit Hilfe von von einem Taktgeber ansteuerbaren Schaltern parallel zu den Energie¬ speichern oder Energiewandlern zuschaltbar ist.The invention relates to a device for charge balancing between a plurality of energy stores or energy converters, in which an inductive element can be connected in parallel to the energy stores or energy converters with the aid of switches which can be controlled by a clock generator.
Aus der DE 39 40 928 der Anmelderin ist eine solche Vorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe von zentral angeordneten oder einer Vielzahl von dezentral angeordneten Sperrwandlern ein Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschal¬ teten Batteriezellen geschaffen wird.Such a device is known from the applicant's DE 39 40 928, in which a charge equalization between a plurality of battery cells connected in series is created with the aid of centrally arranged or a plurality of decentralized flyback converters.
Bei der dort beschriebenen Schaltung wird das Schwergewicht auf den Ladungs¬ ausgleich zwischen einer Vielzahl von Energiespeichern gesetzt, wobei die Sperr¬ wandler eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Batterieblöcken er¬ möglichen.In the circuit described there, the emphasis is placed on charge equalization between a large number of energy stores, the flyback converters permitting galvanic isolation between the individual battery blocks.
Dies hat den Vorteil, daß gezielt einzelne Batterieblöcke aus der Gesamtbatterie unterstützt werden können und daß beliebige Batterieblöcke Energie an die Ge¬ samtbatterie abgeben können. Diesem Vorteil steht der Nachteil eines relativ hohen Schaltungsaufwandes der Transformatoren gegenüber.This has the advantage that individual battery blocks from the entire battery can be specifically supported and that any battery blocks can deliver energy to the overall battery. This advantage is offset by the disadvantage of a relatively high circuit complexity of the transformers.
Aus der DE 39 40 929 der Anmelderin ist eine Überwachungseinrichtung für Akkumulatoren bekannt, bei der ein Ladungsausgleich mit Hilfe von Kondensatoren erreicht wird, die jeweils zu ausgewählten Akkumulatoren parallel geschaltet wer¬ den. Es ist hierbei ein ähnlicher Schaltungsaufwand wie bei der DE 39 40 928 notwendig. Aus der nachveröffentlichten DE 44 22 409 der Anmelderin ist schließlich eine Vorrichtung zum Ladungsaustausch zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschal¬ teten Energiespeichern oder -wandlern bekannt, bei der der Ladungsaustausch über Transformatorwicklungen erreicht wird, die jeweils mit wechselnder Polung den Energiespeichern zugeschaltet werden. Dabei erfordert der gemeinsame Kern der Wicklungen einen gewissen Schaltungsaufwand.DE 39 40 929 from the applicant discloses a monitoring device for rechargeable batteries in which charge equalization is achieved with the aid of capacitors which are connected in parallel to selected rechargeable batteries. A circuit complexity similar to that of DE 39 40 928 is necessary here. Finally, from the subsequently published DE 44 22 409 by the applicant, a device for charge exchange between a multiplicity of energy stores or converters connected in series is known, in which the charge exchange is achieved via transformer windings, which are connected to the energy stores with alternating polarity. The common core of the windings requires a certain amount of circuitry.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun¬ de, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der La¬ dungsausgleich mit einem geringeren Schaltungsaufwand gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden kann.On the basis of this prior art, the object of the invention is to create a device of the type mentioned at the outset, in which the charge equalization can be achieved with a lower amount of circuitry compared to the prior art.
Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das induktive Element mit seinem einen An¬ schluß zwischen den beiden Energiespeichern oder Energiewandlern angeschaltet ist und an seinem anderen Anschluß über zwei jeweils einem Energiespeicher oder Energiewandler zugeordnete Schalter parallel zu dem jeweiligen Energiespeicher oder Energiewandler schaltbar ist, daß eine Komparatorschaltung vorgesehen ist, mit der die Spannungen der beiden Energiespeicher oder Energiewandler mitein¬ ander oder mit einem Sollwert vergleichbar sind, daß die Komparatorschaltung über Steuerleitungen mit den Taktgebern verbunden ist und daß in einer von der Komparatorschaltung vorgebbaren Einschaltphase nur der eine Schalter von dem Taktgeber schließbar ist, dessen zugeordneter Energiespeicher oder Energiewand¬ ler den größeren Spannungswert aufweist, so daß in einer von der Komparator¬ schaltung vorgebbaren Ausschaltphase die in dem induktiven Element gespeicherte Energie über den in den Ausschaltphase geschlossenen anderen Schalter oder über jeweils parallel zu den Schaltern geschaltete Dioden in den spannungsschwächeren Energiespeicher oder Energiewandler abgebbar ist.This object is achieved according to the invention for a device according to the preamble of claim 1 in that the inductive element is connected with its one connection between the two energy stores or energy converters and in parallel at its other connection via two switches each associated with an energy store or energy converter the respective energy store or energy converter can be switched, that a comparator circuit is provided, with which the voltages of the two energy stores or energy converters can be compared with one another or with a setpoint value, that the comparator circuit is connected to the clock generators via control lines and that in one of the comparator circuits Predeterminable switch-on phase, only one switch can be closed by the clock generator, the associated energy store or energy converter of which has the greater voltage value, so that in a switch-off phase predefinable by the comparator circuit the energy stored in the inductive element can be emitted into the lower-voltage energy store or energy converter via the other switch closed in the switch-off phase or via diodes connected in parallel with the switches.
Dadurch kommt es zu einer virtuellen Parallelschaltung der tatsächlich in Reihe ge¬ schalteten Speicher, Zellen oder Akkumulatoren, so daß beim Auftreten von Span¬ nungsdifferenzen zwischen den zwei Akkumulatoren ein Ausgleichsstrom zwi¬ schen den Zellen fließt. Bei einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalteten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden Energiespeichern oder Energiewandlern wird eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Ladungsausgleich mit den oben genannten Merkmalen eingesetzt, wobei die jeweils von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich ausgleichbaren Energiespeicher jeweils auch einer anderen Vorrichtung zum Ladungsausgleich zugeordnet sind.This results in a virtual parallel connection of the memories, cells or accumulators actually connected in series, so that when voltage differences occur between the two accumulators, a compensating current flows between the cells. In the case of a device for charge equalization between a plurality of energy stores or energy converters connected in series and forming a total energy store, a large number of devices for charge equalization with the above-mentioned features are used, the energy stores, each of which can be compensated by a single device for charge equalization, also each have a different device for Charge balancing are assigned.
Damit sind in einfacher Weise eine Vielzahl von Energiespeichern in ihrer Spannung ausgleichbar, wobei die eventuell auftretenden unterschiedlichen Spannungen di¬ rekt nur jeweils paarweise ausgeglichen werden, aber insgesamt alle einzelnen Spannungen des Gesamtenergiespeichers durch eine verschachtelte Anordnung der einzelnen Vorrichtungen zum Ladungsausgleich angeglichen werden.This means that the voltage of a large number of energy stores can be compensated for in a simple manner, the different voltages that may occur being only compensated for in pairs, but all the individual voltages in the total energy store are adjusted overall by a nested arrangement of the individual devices for charge compensation.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich¬ net.Further refinements of the invention are characterized in the subclaims.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing, in which:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich für zwei Ak¬ kumulatoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,1 shows a basic circuit diagram of a device for charge equalization for two accumulators according to a first exemplary embodiment,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitt eines Schaltbildes einer weiteren Vorrichtung zum Ladungsausgleich für in diesem Ausschnitt dar¬ gestellte vier Akkumulatoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,2 shows a schematic representation of a section of a circuit diagram of a further device for charge equalization for four accumulators shown in this section according to a second exemplary embodiment,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitt eines Schaltbildes einer weiteren Vorrichtung zum Ladungsausgleich für in diesem Ausschnitt dar¬ gestellte vier Akkumulatoren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,3 shows a schematic representation of a section of a circuit diagram of a further device for charge equalization for four accumulators shown in this section according to a third exemplary embodiment,
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Fensterkomparators zum Vergleich der Zellen¬ spannungen einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich, und Fig. 5 ein Schaltbild eines analogen Reglers mit Pulsweitenmodulation für eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich.4 shows a basic circuit diagram of a window comparator for comparing the cell voltages of a device for charge equalization, and Fig. 5 is a circuit diagram of an analog controller with pulse width modulation for a device for charge compensation.
Die Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 für zwei Akkumulatoren 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrich¬ tung zum Ladungsausgleich 10 ist für zwei in Reihe geschaltete und einen Gesamtenergiespeicher bildende Akkumulatoren als Energiespeicher 1 und 1 1 vorgesehen. Zwischen den beiden Energiespeichern 1 und 1 1 besteht ein Mitten¬ abgriff 22. An diesem Mittenabgriff 22 ist ein induktives Element 23 angeschaltet, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch ein der Stromüberwachung dienender Widerstand 24 vorgeschaltet ist. Das induktive Element 23 ist mit Hilfe von von Taktgeber 4 bzw. 14 ansteuerbaren Schaltern 2 und 1 2 parallel zu den Energiespeichern 1 bzw. 1 1 zuschaltbar.FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a device for charge equalization 10 for two accumulators 1 according to a first exemplary embodiment. The device for charge equalization 10 is provided for two accumulators connected in series and forming a total energy store as energy stores 1 and 11. There is a center tap 22 between the two energy stores 1 and 11. An inductive element 23 is connected to this center tap 22, a resistor 24 serving for current monitoring being connected upstream in the exemplary embodiment shown. The inductive element 23 can be connected in parallel with the energy stores 1 and 1 1 by means of switches 2 and 1 2 which can be controlled by clock generators 4 and 14, respectively.
Anstelle der Energiespeicher 1 und 1 1 können jeweils auch Energiewandler aus¬ geglichen werden. Hierzu zählen insbesondere alle Energie wandelnden Systeme, die aus einer Reihenschaltung bestehen wie beispielsweise Elektrolyseeinheiten und Brennstoffzellen.Instead of the energy stores 1 and 11, energy converters can also be compensated in each case. This includes in particular all energy converting systems that consist of a series connection, such as electrolysis units and fuel cells.
Dioden 3 bzw. 13 sind parallel zu den Schaltern 2 und 12 angeordnet, wobei diese Dioden als Freilaufdioden geschaltet sind. Diese Dioden können auch durch die pa¬ rasitären Dioden gebildet werden, die innerhalb von MOS-FET-Schaltern vorhanden sind, mit denen die Schalter 2 und 1 2 realisiert werden können.Diodes 3 and 13 are arranged in parallel to switches 2 and 12, these diodes being connected as freewheeling diodes. These diodes can also be formed by the parasitic diodes which are present within MOS-FET switches with which the switches 2 and 1 2 can be implemented.
Die Schalter 2 und 1 2 können von den genannten Taktgeneratoren 4 bzw. 14 mit einem Taktsignal beaufschlagt werden, sofern hierzu ein Steuerbefehl von einer Komparatorschaltung 27 vorliegt, die mit Hilfe von Abgriffleitungen 5, 1 5 und 25 die Spannungen der beiden Energiespeicher 1 und 1 1 ermittelt.Switches 2 and 1 2 can be supplied with a clock signal by said clock generators 4 and 14, provided that there is a control command from a comparator circuit 27 which uses tapping lines 5, 15 and 25 to measure the voltages of the two energy stores 1 and 1 1 determined.
Schließlich wird die über dem Widerstand 24 abfallende Spannung den Taktgene¬ ratoren 4 und 14 zur zur Verfügung gestellt, die vorteilhafterweise eine Strom¬ überwachung aufweisen. Die Funktion der Schaltung beruht darauf, daß mit Hilfe der Komparatorschaltung 27 die tatsächlichen Spannungen der beiden Energiespeicher, auch Ist-Werte ge¬ nannt, mit einer mittleren Batteriespannung, dem Soll-Wert, verglichen werden und bei der entsprechenden Abweichung im Spannungswert nur der Taktgeber 4 oder 14 mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, der dem spannungsstärkeren Ener¬ giespeicher zugeordnet ist. Der Taktgeber 4 oder 14 erzeugt ein hochfrequentes Taktsignal, vorzugsweise mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz, mit welchem der Schalter 2 bzw. 12 beaufschlagt wird. Während dieser Einschaltphase fließt ein in der Zeit an Wert zunehmender Strom aus dem spannungsstärkeren Energie¬ speicher durch das induktive Element oder auch Speicherdrossel 23. In einer Aus¬ schaltphase fließt der Strom über die Diode 13 bzw. 3 in den spannungsschwä¬ cheren Energiespeicher. Dabei stehen dann beide Schalter 2 und 1 2 offen. Bei ei¬ ner alternativen Ausgestaltung kann an Stelle der Diode 13 bzw. 3 der Schalter 1 2 bzw. 2 in der Weise vorgesehen sein, daß dieser dann in der Ausschaltphase schließt. Dabei werden die beiden Schalter 2 und 1 2 komplementär angeschaltet, d.h. wenn der Schalter 2 schließt, ist der Schalter 12 geöffnet und umgekehrt. Hierbei wird der dem Akkumulator mit der höheren Spannung zugeordnete Schalter 2 bzw. 1 2 zunächst mit einem Tastverhältnis von größer als 50 Prozent angesteu¬ ert, wobei im eingeschwungenen Zustand die in den Taktgeneratoren 4 bzw. 14 enthaltene Strombegrenzung die Einschaltdauer auf einen Wert in der Weise be¬ grenzt, daß ein vorgegebener maximaler Ausgleichsstrom fließt.Finally, the voltage drop across the resistor 24 is made available to the clock generators 4 and 14, which advantageously have a current monitor. The function of the circuit is based on the fact that, with the aid of the comparator circuit 27, the actual voltages of the two energy stores, also called actual values, are compared with an average battery voltage, the target value, and with the corresponding deviation in the voltage value only the clock generator 4 or 14 is acted upon by a control signal which is assigned to the higher-voltage energy store. The clock generator 4 or 14 generates a high-frequency clock signal, preferably with a frequency of more than 20 kHz, with which the switch 2 or 12 is acted upon. During this switch-on phase, a current that increases in value flows from the higher-voltage energy store through the inductive element or also storage choke 23. In a switch-off phase, the current flows through the diode 13 or 3 into the lower-voltage energy store. Both switches 2 and 1 2 are then open. In an alternative embodiment, the switch 1 2 or 2 can be provided instead of the diode 13 or 3 in such a way that it then closes in the switch-off phase. The two switches 2 and 1 2 are switched on in a complementary manner, ie when switch 2 closes, switch 12 is open and vice versa. In this case, the switch 2 or 1 2 assigned to the accumulator with the higher voltage is first actuated with a pulse duty factor of greater than 50 percent, the current limitation contained in the clock generators 4 or 14 in the steady state reducing the duty cycle to a value in the Limited way that a predetermined maximum equalizing current flows.
Sollten die beiden Energiespeicher 1 und 1 1 unterschiedliche Nenn-Betriebsspan- nungen aufweisen, so werden die Taktschritte durch entsprechend unterschiedli¬ che Taktlängen ersetzt.If the two energy stores 1 and 11 have different nominal operating voltages, the clock steps are replaced by correspondingly different clock lengths.
Entsprechend der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung können die Schalter 2 bzw. 1 2 sowie die Taktgeber 4 bzw. 14 auch als integrierte Schaltkreise ausge¬ führt sein, die bereits die Schalter, einen Taktgenerator, eine Überstromsicherung, eine Übertemperatursicherung und zudem eine Sanftanlaufschaltung beinhalten. Wie es in der Figur 1 dargestellt ist, werden die Meßleitungen 5, 1 5 und 25 ge¬ trennt von den Leitungen 6, 1 6 und 26 des Leistungsteiles geführt, um eine Verfäl¬ schung der Meßwerte durch Spannungsabfälle auf den stromführenden Leitungen zu vermeiden.According to the device shown in the drawing, the switches 2 and 1 2 and the clock generators 4 and 14 can also be implemented as integrated circuits which already contain the switches, a clock generator, an overcurrent protection device, an overtemperature protection device and also a soft start circuit. As shown in FIG. 1, the measuring lines 5, 15 and 25 are routed separately from the lines 6, 16 and 26 of the power unit in order to prevent the measured values from being falsified by voltage drops on the current-carrying lines.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ladungs¬ ausgleich für eine in diesem Beispiel dargestellte Anzahl von vier Akkumulatoren mittels mehrerer der in Figur 1 beschriebenen Vorrichtungen zum Ladungsausgleich gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Akkumulatoren 1 bzw. 1 1 ist jedoch prinzipiell nicht begrenzt.FIG. 2 shows a schematic representation of a device for charge equalization for a number of four accumulators shown in this example by means of several of the devices for charge equalization described in FIG. 1 according to a second exemplary embodiment. In principle, however, the number of accumulators 1 or 11 connected in series is not limited.
In der Figur 2 sind in Bezug auf Figur 1 jeweils gleiche Merkmale mit gleichen Be¬ zugszeichen gekennzeichnet. Dabei sind zur Vereinfachung der Darstellung und zur besseren Übersichtlichkeit die in Figur 1 zur exakten Messung der Akkumulator¬ spannungen dargestellten Abgriff leitungen 5, 1 5 und 25 sowie die die Ausgleich¬ ströme führenden Leitungen 6, 1 6 und 26 jeweils zu einem Strich zusammenge¬ faßt. Die einzelnen Akkumulatoren 1 bzw. 1 1 sowie die Vorrichtungen zum La¬ dungsausgleich 10 sind weiterhin zur besseren Zuordnung jeweils mit ergänzenden Indices a, b bzw. c versehen. Die Komparatorschaltung 27 sowie die Taktgenera¬ toren und weitere Elemente sind ebenso (wie auch in Figur 3) weggelassen wor¬ den.In FIG. 2, the same features are identified with the same reference symbols with respect to FIG. 1. To simplify the illustration and for better clarity, the tap lines 5, 15 and 25 shown in FIG. 1 for exact measurement of the accumulator voltages and the lines 6, 16 and 26 carrying the equalizing currents are each combined to form a line sums up. The individual accumulators 1 and 11 as well as the devices for charge equalization 10 are further provided with additional indices a, b and c for better allocation. The comparator circuit 27 and the clock generators and further elements have likewise been omitted (as in FIG. 3).
Für jeweils N Akkumulatoren sind N-1 Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 notwendig, die sich, wie in der Figur 2 dargestellt, um jeweils einen Akkumulator überlappen. Da jeder der N-1 Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 selbständig Spannungsunterschiede zwischen ihren beiden Akkumulatoren 1 und 1 1 aus¬ gleicht, ist letztendlich ein Energietransfer zwischen allen Zellen möglich.For each N accumulator, N-1 devices for charge equalization 10 are necessary which, as shown in FIG. 2, overlap by one accumulator. Since each of the N-1 devices for charge equalization 10 independently compensates for voltage differences between its two accumulators 1 and 11, an energy transfer between all cells is ultimately possible.
Die in den jeweiligen Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 vorhandenen und in Figur 1 mit den Bezugszeichen 2 bzw. 12 bezeichneten Schalter können sowohl von einem zentralen Taktgenerator gesteuert werden als auch unabhängig vonein¬ ander freilaufen, wobei dann jeweils Schaltungen entsprechend Figur 1 eingesetzt werden können. Der Einsatz eines zentralen Taktgenerators bringt den Vorteil der größeren elektromagnetischen Verträglichkeit, da Schwebungszustände zwischen einzelnen Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 vermieden werden können, die bei unabhängig arbeitenden Taktgeneratoren unvermeidlich eintreten.The switches present in the respective charge equalization devices 10 and designated by reference numerals 2 and 12 in FIG. 1 can be controlled both by a central clock generator and can run freely independently of one another, it then being possible to use circuits corresponding to FIG. 1. The use of a central clock generator has the advantage of greater electromagnetic compatibility, since beat states between individual devices for charge balancing 10 can be avoided, which inevitably occur with independently operating clock generators.
Die Beschaltung der Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 mit einem zentralen Taktgenerator kann noch dadurch verbessert werden, daß benachbarte Vorrich¬ tungen zum Ladungsausgleich 10 mit einem phasenverschobenen Taktgenerator¬ signal betrieben werden, um zu vermeiden, daß an einem schwachen Akkumulator periodisch große Ladeströme auftreten, wenn von beiden Seiten der Kette der Ak¬ kumulatoren und der Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10 ein Ladestrom in den schwachen Akkumulator fließt.The wiring of the devices for charge equalization 10 with a central clock generator can be further improved in that neighboring devices for charge equalization 10 are operated with a phase-shifted clock generator signal in order to avoid that large charging currents occur periodically on a weak accumulator when from A charge current flows into the weak accumulator on both sides of the chain of accumulators and the devices for charge equalization 10.
Die Figur 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Anordnung von einzelnen Vorrich¬ tungen zum Ladungsausgleich 10 gemäß Figur 1 für mehrere Akkumulatoren. In der schematischen Darstellung der Figur 3 wird ein Ausschnitt eines Schaltbildes für in diesem Ausschnitt dargestellte vier Akkumulatoren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt.FIG. 3 shows a further possibility of arranging individual devices for charge equalization 10 according to FIG. 1 for several accumulators. 3 shows a section of a circuit diagram for four accumulators shown in this section according to a third exemplary embodiment.
Die auf der linken Seite des Zeichnungsblattes angeordneten zwei Schaltungen zum Ladungsausgleich 10a bzw. 10b schaffen wie vorne beschrieben einen Aus¬ gleich jeweils zwischen den zugehörigen Akkumulatoren 1 a und 1 1 a bzw. 1 b und 1 1 b. Die auf der rechten Seite des Zeichnungsblattes angeordnete weitere Schaltung zum Ladungsausgleich 10c schafft einen Ausgleich zwischen den aus den jeweils zwei Akkumulatoren 1 a und 1 1 a btw. 1 b und 1 1 b gebildeten Unter¬ gruppen.The two circuits for charge equalization 10a and 10b arranged on the left side of the drawing sheet, as described above, each compensate between the associated accumulators 1 a and 1 1 a or 1 b and 1 1 b. The arranged on the right side of the drawing sheet further circuit for charge equalization 10c creates a balance between those from the two batteries 1 a and 1 1 a btw. 1 b and 1 1 b formed subgroups.
Im Gegensatz zu der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Figur 2, bei der be¬ nachbarte Akkumulatoren jeweils benachbarten Vorrichtungen zum Ladungsaus¬ gleich 10 zugeordnet waren, besteht hier eine andere Verschachtelung in der Weise, daß die Akkumulatoren 1 a und 1 1 a, bzw. 1 b und 1 1 b für die Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10c als Einheit betrachtet werden und jeweils weitere Vorrichtungen zum Ladungsausgleich 10a bzw. 10b die kleinsten Akkumulator¬ gruppen 1 a, 1 1 a bzw. 1 b und 1 1 b ausgleichen. Natürlich sind auch weitere Schrittweiten denkbar und insbesondere können Ist- und Soll-Spannungen von unterschiedlichen Akkumulatorgruppen festgestellt und bearbeitet werden, was sich lediglich in einer unterschiedlichen Länge der Takt¬ schritte niederschlägt, sofern gewährleistet ist, daß jede kleinste unteilbare Akku¬ mulatorgruppe oder Energiezelle mindestens zweimal vorhanden ist, um mit der mindestens einen weiteren im Ladungsausgleich stehen zu können, und daß jede größere unteilbare Akkumulatorgruppe oder Energiezelle in einem direkten La¬ dungsausgleich mit einem entsprechenden Vielfachen von kleineren Akkumulator¬ gruppen oder Energiezellen steht.In contrast to the embodiment of the device according to FIG. 2, in which neighboring accumulators were each assigned to neighboring devices for charge equalization 10, there is another nesting in such a way that the accumulators 1 a and 1 1 a or 1 b and 1 1 b are considered as a unit for the device for charge equalization 10c and each further device for charge equalization 10a or 10b compensate for the smallest accumulator groups 1 a, 1 1 a or 1 b and 1 1 b. Of course, further step sizes are also conceivable and in particular actual and target voltages of different accumulator groups can be determined and processed, which is only reflected in a different length of the clock steps, provided that it is guaranteed that every smallest indivisible accumulator group or energy cell at least is present twice in order to be able to balance the at least one further charge and that each larger indivisible accumulator group or energy cell is in direct charge compensation with a corresponding multiple of smaller accumulator groups or energy cells.
Mit einer solchen Anordnung ist ein schnellerer Ladungsausgleich zwischen größe¬ ren Blöcken von Akkumulatoren oder Energiewandlern möglich, es wird z.B. in der Figur 3 ein schnellerer Energietransfer zwischen den beiden Hälften von Akkumula¬ torengruppen erreicht.With such an arrangement, a faster charge equalization between larger blocks of accumulators or energy converters is possible. in FIG. 3 a faster energy transfer between the two halves of groups of accumulators is achieved.
Jede Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 benötigt die in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 27 versehene Komparatorschaltung. Eine mögliche Ausgestaltung einer solchen Komparatorschaltung ist in der Figur 4 dargestellt, die ein Prinzip¬ schaltbild eines Fensterkomparators 27 zum Vergleich der Zellenspannungen einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich 10 zeigt.Each device for charge equalization 10 requires the comparator circuit provided with the reference number 27 in FIG. A possible embodiment of such a comparator circuit is shown in FIG. 4, which shows a basic circuit diagram of a window comparator 27 for comparing the cell voltages of a device for charge equalization 10.
Die Meßleitungen 5 und 1 5 werden über die Widerstände 31 und 32 zu den Kom¬ paratoren 33 und 34 geführt. Damit liegen an den entsprechenden Eingängen der Komparatoren 33 und 34 die Akkumulator-Istspannungen an. Der jeweils andere Eingang der Komparatoren 33 und 34 ist mit der Meßleitung 25 zu verbinden. Um den Einfluß eines Spannungsabfalles auf der Leitung 35 zwischen den beiden Ak¬ kumulatoren 1 und 1 1 beim Auftreten von Lade- bzw. Entladeströmen zu verhin¬ dern, welcher durch den durch die Leitung des Verbinders der einzelnen Akkumula¬ toren gebildeten Widerstand 36 hervorgerufen wird, wird die Soll-Spannung über zwei in Reihe zwischen den Akkumulatoren 1 und 1 1 geschaltete hochohmige Wi¬ derstände 37 ermittelt, wobei der Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen 37 der Meßleitung 25 entspricht. Damit liegt jeweils an den Ausgängen 38 bzw. 39 ein Steuersignal an, falls eine Abweichung der Batteriespannungen vom jewei¬ ligen Sollwert vorliegt. Die Komparatoren weisen vorzugsweise eine bestimmte Hysterese auf, die ein Auftreten eines Steuersignals 38 bzw. 39 erst bei Über¬ schreiten einer Mindestabweichung der Batteriespannungen vom Sollwert ermögli¬ chen. Weiterhin werden die Komparatoren 33 und 34 vorzugsweise zeitabhängig gegeneinander verriegelt, so daß eine Energiezufuhr in der einen Richtung in einer vorbestimmten Zeit von z.B. einer Sekunde nicht durch einen Energietransfer in der anderen Richtung aufgehoben wird. Damit wird einem Schwingungsverhalten der Schaltung vorgebeugt.The measuring lines 5 and 15 are led to the comparators 33 and 34 via the resistors 31 and 32. The actual battery voltages are thus present at the corresponding inputs of the comparators 33 and 34. The other input of the comparators 33 and 34 is to be connected to the measuring line 25. In order to prevent the influence of a voltage drop on the line 35 between the two accumulators 1 and 11 when charging or discharging currents occur, which is caused by the resistance 36 formed by the connection of the individual accumulators , The target voltage is determined via two high-resistance resistors 37 connected in series between the accumulators 1 and 11, the center tap between the two resistors 37 corresponding to the measuring line 25. A control signal is thus present at each of the outputs 38 and 39 if there is a deviation of the battery voltages from the respective target value. The comparators preferably have a specific one Hysteresis, which enable a control signal 38 or 39 to occur only when a minimum deviation of the battery voltages from the target value is exceeded. Furthermore, the comparators 33 and 34 are preferably locked against one another in a time-dependent manner, so that an energy supply in one direction in a predetermined time of, for example, one second is not canceled by an energy transfer in the other direction. This prevents the circuit from vibrating.
Die Ansteuerung der Schalter kann auch mit einem Taktsignal erfolgen, dessen Einschaltdauer im Verhältnis zur Gesamtperiodendauer, also die sogenannte Puls¬ weite, von der Differenz zwischen der Akkumulator-Sollspannung und den Akku¬ mulator-Istspannungen abhängig ist. Damit wird ein geschlossener Regelkreis ge¬ bildet, der durch einen P-, einen Pl-, einen PID-Regler oder einen Regler mit un¬ scharfer Logik (Fuzzy-Logik) ausgestaltet werden kann. Die Figur 5 zeigt ein sol¬ ches Schaltbild eines analogen Reglers mit Pulsweitenmodulation für eine Vorrich¬ tung zum Ladungsausgleich 10.The switches can also be actuated with a clock signal whose duty cycle in relation to the total period, ie the so-called pulse width, is dependent on the difference between the target battery voltage and the actual battery voltages. A closed control loop is thus formed, which can be configured by a P, a PI, a PID controller or a controller with unsharp logic (fuzzy logic). FIG. 5 shows such a circuit diagram of an analog controller with pulse width modulation for a device for charge equalization 10.
Ein Vorteil dieser analogen Vorgehensweise liegt darin, daß Ausgleichsströme ab¬ hängig von den Regelabweichungen eingestellt werden können und somit ein schonender Betrieb des Ladungsausgleichs durchgeführt werden kann.An advantage of this analogous approach is that compensation currents can be set as a function of the control deviations, and thus a gentle operation of the charge compensation can be carried out.
Der Abgriff des Istwertes der mittleren Batteriespannung wird in der gleichen Weise wie bei der Vorrichtung nach Figur 4 durchgeführt. Ebenso wird der Soll¬ wert mit Hilfe von hochohmigen Widerständen 37 unabhängig von eventuellen Batterieströmen ermittelt und beide Werte werden einem Pl-Regler 40 zugeführt, der mit Hilfe der Widerstände 41 und 42 eine eventuell bestehende Differenz ver¬ stärkt und diese Differenz dank des Kondensators 43 auch aufintegriert. Bei nicht¬ idealen Akkumulatoren besteht eine Verschiebung des Potentials des Mittelabgriffs 25 gegenüber der mittleren Batteriespannung, so daß am Ausgang 44 des Pl- Reglers ein vorzeichenbehaftetes Ausgangssignal anliegt. Wie schon oben aus¬ geführt, können anstelle des dargestellten Pl-Reglers sowohl ein P-Regler als auch ein PID-Regler oder andere Reglerstrukturen zum Einsatz kommen. Dieses Ausgangssignal wird in einem Gleichrichter 45 gleichgerichtet und einem Pulsweitenmodulator 46 zugeführt, der zu dem Absolutwert der Regelabweichung ein proportionales Pulsweitenverhältnis des Taktsignals erstellt. Gleichzeitig wird für dieses Ausgangssignal in einem Komparator 47 das Vorzeichen der Regelab¬ weichung ermittelt und das von dem Pulsweitenmodulator 46 erzeugte Taktsignal über eine entsprechende Logikschaltung 48 dem entsprechenden Schalteranschluß 38 oder 39 zugeführt, der mit dem Schalter 2 bzw. 12 verbunden ist. Der Kompa¬ rator 47 kann auch als Fensterkomparator arbeiten, der eine Ausgabe des Taktsig¬ nals bei einer zu kleinen Regelabweichung unterbindet. The actual value of the average battery voltage is tapped in the same way as in the device according to FIG. 4. Likewise, the setpoint value is determined with the aid of high-resistance resistors 37, regardless of possible battery currents, and both values are fed to a PI controller 40, which, with the help of the resistors 41 and 42, amplifies a possible difference and this difference thanks to the capacitor 43 also integrated. In the case of non-ideal accumulators, there is a shift in the potential of the center tap 25 with respect to the mean battery voltage, so that a signed output signal is present at the output 44 of the PI controller. As already stated above, instead of the PI controller shown, both a P controller and a PID controller or other controller structures can be used. This output signal is rectified in a rectifier 45 and fed to a pulse width modulator 46, which creates a proportional pulse width ratio of the clock signal to the absolute value of the control deviation. At the same time, the sign of the control deviation is determined for this output signal in a comparator 47 and the clock signal generated by the pulse width modulator 46 is fed via a corresponding logic circuit 48 to the corresponding switch connection 38 or 39, which is connected to the switch 2 or 12. The comparator 47 can also work as a window comparator, which prevents the clock signal from being output if the control deviation is too small.

Claims

Patentansprüche claims
Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) zwischen zwei in Reihe geschalte¬ ten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden Energiespeichern oder Energiewandlern (1 , 1 1 ), bei der ein induktives Element (23) mit Hilfe von von einem Taktgeber (4, 14) ansteuerbaren Schaltern (2, 12) parallel zu den Energiespeichern oder Energiewandlern (1 , 1 1 ) zuschaltbar ist,Device for charge equalization (10) between two energy stores or energy converters (1, 1 1) connected in series and forming a total energy store, in which an inductive element (23) can be controlled by switches (2, 14) controlled by a clock generator (4, 14) , 12) can be connected in parallel to the energy stores or energy converters (1, 1 1),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,characterized ,
daß das induktive Element (23) mit seinem einen Anschluß (22) zwischen den beid¬ en Energiespeichern oder Energiewandlern (1, 1 1) angeschaltet ist und an seinem anderen Anschluß über zwei jeweils einem Energiespeicher oder Energiewandler (1 bzw. 1 1) zugeordnete Schalter (2 bzw. 12) parallel zu dem jeweiligen Energiespei¬ cher oder Energiewandler (1 bzw. 1 1) schaltbar ist, daß eine Komparatorschaltung (27) vorgesehen ist, mit der die Spannungen der beiden Energiespeicher oder Energiewandler miteinander oder mit einem Sollwert vergleichbar sind, daß die Komparatorschaltung (27) über Steuerleitungen mit den Taktgebern (4, 14) ver¬ bunden ist und daß in einer von der Komparatorschaltung (27) vorgebbaren Ein¬ schaltphase nur der eine Schalter (2 bzw. 12) von dem Taktgeber (4 bzw. 14) schließbar ist, dessen zugeordneter Energiespeicher oder Energiewandler (1 bzw. 1 1) den größeren Spannungswert aufweist, so daß in einer von der Komparator¬ schaltung (27) vorgebbaren Ausschaltphase die in dem induktiven Element (23) ge¬ speicherte Energie über den in der Ausschaltphase geschlossenen anderen Schalter (12 bzw. 2) oder über jeweils parallel zu den Schaltern (12 bzw. 2) geschaltete Di¬ oden (13 bzw. 3) in den spannungsschwächeren Energiespeicher oder Energie¬ wandler (1 1 bzw. 1) abgebbar ist. that the inductive element (23) is connected with its one connection (22) between the two energy stores or energy converters (1, 1 1) and at its other connection via two each associated with an energy store or energy converter (1 or 1 1) Switches (2 or 12) can be connected in parallel to the respective energy store or energy converter (1 or 11) in such a way that a comparator circuit (27) is provided with which the voltages of the two energy stores or energy converters can be compared with one another or with a setpoint are that the comparator circuit (27) is connected to the clock generators (4, 14) via control lines and that in a switch-on phase which can be predetermined by the comparator circuit (27) only the one switch (2 or 12) from the clock generator ( 4 or 14) can be closed, its associated energy store or energy converter (1 or 11) has the greater voltage value, so that in a cutout which can be predetermined by the comparator circuit (27) hold phase, the energy stored in the inductive element (23) via the other switch (12 or 2) closed in the switch-off phase or via diodes (13 or 3) connected in parallel to the switches (12 or 2) in the lower-voltage energy store or energy converter (11 or 1) can be emitted.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,2. Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
daß eine Stromüberwachungseinrichtung (24) vorgesehen ist, mit welcher der durch das induktive Element (23) fließende Strom erfaßbar ist, und daß die Stromüberwachungseinrichtung (24) bei Erreichen eines Schwellwertes für den ge¬ nannten Strom die Taktgeber (4, 14) von der Einschaltphase in die Ausschaltphase umschaltet.that a current monitoring device (24) is provided, by means of which the current flowing through the inductive element (23) can be detected, and that the current monitoring device (24), when a threshold value for the named current is reached, the clock generator (4, 14) of the Switched on phase in the switch-off phase.
3. Vorrichtung zum Ladungsausgleich zwischen einer Vielzahl von in Reihe geschalte¬ ten und einen Gesamtenergiespeicher bildenden Energiespeichern oder Energie¬ wandlern (1, 11),3. Device for charge equalization between a plurality of energy stores or energy converters (1, 11) connected in series and forming an overall energy store,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
daß sie eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Ladungsausgleich (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 aufweisen und daß die jeweils von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) ausgleichbaren Energiespeicher oder Energiewandler (1, 11; 1a, 11a, 1b, 11b) jeweils auch einer anderen Vorrichtung zum Ladungsaus¬ gleich (10) zugeordnet sind.that they have a multiplicity of devices for charge balancing (10) according to one of claims 1 or 2 and that the energy storage devices or energy converters (1, 11; 1a, 11a, 1b, 11b), each of which can be compensated for by a single device for charge balancing (10) are also assigned to another device for charge equalization (10).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,4. The device according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
daß die jeweils zwei von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) ausgleichbaren Energiespeicher oder Energiewandler (1, 11) genau jeweils auch ei ner anderen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) zugeordnet sind. that the two energy storage devices or energy converters (1, 11), each of which can be compensated by a single charge equalization device (10), are each exactly assigned to another charge equalization device (10).
5. Vorrichtung nach Anspruch 3,5. The device according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
daß die zwei, von einer einzelnen Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) aus¬ gleichbaren Energiespeicher oder Energiewandler (1, 11) in kleinere Energiespeicher oder Energiewandler (1a, 11a, 1b, 11b) unterteilt sind, die jeweils auch einer ande¬ ren Vorrichtung zum Ladungsausgleich (10) zugeordnet sind. that the two energy stores or energy converters (1, 11), which can be equalized by a single charge equalization device (10), are subdivided into smaller energy stores or energy converters (1a, 11a, 1b, 11b), each of which also has another device for Charge balancing (10) are assigned.
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