WO2008155209A1

WO2008155209A1 - Batteriepack mit umschaltung für hochstrombetrieb

Info

Publication number: WO2008155209A1
Application number: PCT/EP2008/056778
Authority: WO
Inventors: Hartmut Seiler; Mario Roessler; Philipp Kohlrausch
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2008-12-24
Also published as: DE102007027902A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit mehreren Batterieanschlüssen und einem Anschlussklemmenpaar, wobei die Batterieanschlüsse und das Anschlussklemmenpaar jeweils einen Pluspol und einen Minuspol aufweisen, die Schaltung zum wählbaren Verbinden der Batterieanschlüsse mit dem Anschlussklemmenpaar vorgesehen ist. Die Schaltung weist Schaltelemente aufweist, die mindestens zwei Untergruppen der Batterieanschlüsse wahlweise in Serie oder in Parallelschaltung zu mindestens einer Gruppe miteinander verbinden und diese mindestens eine Gruppe mit dem Anschlussklemmenpaar verbindet.

Description

Beschreibung

Titel

Batteriepack mit Umschaltung für Hochstrombetrieb

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Verbinden von einzelnen Batteriezellen.

Zum kabellosen Betrieb von Verbrauchern, beispielsweise Elektrowerkzeugen, werden Bat- teriezellen zusammengeschaltet. Hierbei werden Einzelzellen entweder parallel oder in Reihe oder sowohl in Reihe wie auch parallel miteinander verschaltet. Die Verschaltung bestimmt die abgegebene Spannung sowie den maximal zulässigen Strom.

Elektrische Verbraucher werden üblicherweise mit konstanter Spannung versorgt und in einem vorher bestimmten Spannungsintervall betrieben, wobei zum Erreichen der Nennspannung Batteriezellen seriell miteinander verschaltet werden. Jedoch werden in Seriellschaltungen Batteriezellen mit geringerem Ladezustand anders belastet als Batteriezellen mit hohem Ladezustand, so dass sich die Ladezustände der einzelnen Zellen unterscheiden und im Laufe des Betriebs auseinanderdriften können.

In der Druckschrift DE 10 2004 032 535 Al werden einzelne Zellen in Parallelgruppen geschaltet, wobei die Parallelgruppen in Serie zusammengefasst werden. Die Zusammenschaltung der einzelnen Batteriezellen ist fest verdrahtet und kann nicht von außen verändert werden.

Offenbarung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung lassen sich durch einfache Umschaltung verschiedene Betriebsmodi von zusammengeschalteten Batterien erreichen. Zum Einen kann dem Lade- zustand der Batterien Rechnung getragen werden, und zum Anderen kann ein gewünschter Betriebsmodus eines Verbrauchers einfach angewählt werden. Falls ein Verbraucher versorgt wird, der nicht notwendigerweise mit einer konstanten Spannung versorgt werden muss, wie etwa Elektronikprodukte, so kann die am Verbraucher anliegende Spannung und der maximal zulässige Strom mittels der erfϊndungsgemäßen Schaltung eingestellt werden. Insbesondere Verbraucher wie ohmsche Verbraucher (Lichterzeuger, Heizelemente usw.) oder induktive Verbraucher (Elektromotoren in Bohrmaschinen, Staubsauger, Pumpen usw.), die kabellos mittels tragbarer Batterien versorgt werden, können somit hinsichtlich eines Arbeitspunktes eingestellt werden. Somit lassen sich beispielsweise ein bei einem E- lektromotor ein Modus mit hoher Drehzahl und niedriegen Drehmoment sowie ein Modus mit langsamer Drehzahl und hohen Drehmonent realisieren.

Insbesondere Akku-Bohrmaschinen oder Akku-Schrauber können mittels der erfmdungs- gemäßen Schaltung in zwei verschiedenen Betriebsmodi arbeiten, ohne dass zum Umschalten ein Getriebe notwendig wäre wie es bislang der Fall war. Ein erster Betriebsmodus entspricht dem langsamen Modus, d. h. einer geringen Drehzahl bei hohem Drehmoment, die einer Parallelschaltung von Batteriezellen entspricht, mit der sich eine geringe Spannung (und folglich eine geringe Drehzahl) bei einem hohen Strom (und folglich einem hohen Drehmoment) realisieren lässt. Werden die Batteriezellen mit der erfindungsgemäßen Schaltung in Serie zusammengeschaltet, ergibt sich ein zweiter Betriebsmodus mit hoher Drehzahl und geringem Drehmoment (durch den höheren Innenwiderstand der Stromversorgung sowie des maximal zulässigen Stromes pro Batteriezelle), die sich aus der hohen Gesamtspannung und geringem Strom ergibt. Somit lassen sich die Drehzahlkennfelder eines lang- samen und eines schnellen Betriebsmodus anstatt mit einem Getriebe mittels der erfindungsgemäßen Schaltung erreichen. Ähnliche Auswahlmöglichkeiten ergeben sich auch bei anderen Verbrauchern mit verschiedenen Arbeitspunkten, beispielsweise ohmschen Verbrauchern wie einer Taschenlampe mit mehreren hinzuschaltbaren Lichterzeugungselementen, deren Aktivierung vom gewünschten Betriebsmodus abhängt.

Da ferner, wie bereits oben beschrieben, es in Seriellschaltung zu einem Auseinanderdriften der Ladungszustände der einzlenen Batteriezellen kommen kann, ermöglicht die Parallelschaltung einen Ausgleich des Ladungszustands, so dass sich nach Wählen der Parallelschaltung, unabhängig von angeschlossenen Verbrauchern, für alle zusammengeschalteten Zellen der gleiche oder ein ähnlicher Ladungszustand ergibt. Dadurch lässt sich eine Balancierung erreichen. Dieses ist insbesondere wichtig, wenn die einzelnen Batterien aufgeladen werden, da mittels der erfindungsgemäßen Parallelschaltung vor dem Laden alle Batteriezellen auf den gleichen Ladungszustand gebracht werden und somit einheitlich geladen werden können. Gleichzeitig ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltung, die Batteriezellen vor und nach dem Aufladen wieder in Serie zu schalten, um beispielsweise eine hohe Spannung an den Anschlussklemmen zu erreichen. Ferner kann durch Umschaltung von Serien- auf Parallelschaltung gegen Ende des Ladeprozesses oder während eines letzten Ladeabschnitts ein homogener Ladezustand bei hohem Ladestrom und somit bei verkürzter Ladedauer erreicht werden.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept besteht darin, dieselben Batteriezellen wahlweise in Serie oder in Parallelschaltung mittels Schalter miteinander zu verbinden. Durch Anwählen der Schalterstellung der Schalter kann somit die oben beschriebene Wirkung erreicht werden, so dass das Auswählen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der zusammengeschalteten Batterien ausgewählt werden kann. Vorzugsweise werden alle Schalter einheitlich, vorzugsweise zentral angesteuert.

Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst somit mehrere Batterieanschlüsse, an die die einzelnen Batterien angeschlossen werden können. Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst Schaltungen, die die Batterieanschlüsse miteinander wählbar verbinden, so dass sich in einer ersten Schalterstellung aller Schaltelemente eine Parallelschaltung und in einer zweiten Schalterstellung aller Schaltelemente eine Schaltung in Serie ergibt. Ein Batterieanschluss umfasst jeweils einen Plus- und einen Minuspol, an den der jeweilige Plus- und Minuspol einer Batterie angeschlossen werden kann. Die Batterieanschlüsse können einzeln mittels Schalter ausgewählt werden, so dass die anschließbaren Batterien einzeln als Seriell- oder Parallelelement in die Gesamtschaltung eingehen. Ferner ist der Zusammenschluss einzelner Untergruppen von Batterien möglich, wobei eine Untergruppe aus einer Einzelbatterie, einem Batteriepaar, einer Anzahl an Batterien, die kleiner als die Hälfte aller Batterien ist, oder die Hälfte aller Batterien sein kann. Falls eine Untergruppe keine einzelne Batterie ist, sondern aus mehreren Batterien besteht, sind diese bereits vorab miteinander verdrahtet, beispielsweise als Seriellschaltung oder als Parallelschaltung. Diese Untergruppen gehen als Ganzes in die wählbare Seriell- oder Parallelschaltung ein, wohingegen die Zusammenschaltung aller Batteriezellen innerhalb einer Untergruppe vorzugsweise fest verdrahtet ist oder mittels Elementen verbunden ist, die nicht von außen steuerbar sind, wie es beispielsweise bei vorkonfigurierten Batteriepacks der Fall ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst ferner ein Anschlussklemmenpaar, das die Schnittstelle der erfindungsgemäß kombinierten Batterieanschlüsse bzw. Batterien nach außen, d. h. zum Versorger hin darstellt. Ferner kann an das Anschlussklemmenpaar eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle angeschlossen werden, um die an die Batterieanschlüsse anschließbaren Batterien aufzuladen. Vorzugsweise werden alle Batteriean- Schlüsse der Schaltung zu einer gemeinsamen Gruppe miteinander verbunden, wobei dies jedoch auch nur für einen Teil aller Batterieanschlüsse der Schaltung der Fall sein kann. Die so kombinierte Gruppe an Batterieanschlüssen umfasst somit die Kombination aller Spannungen der Batterieanschlüsse, falls die Schalterstellung der Schalter derart ausgewählt ist, -A- dass sich eine Serienschaltung der Batterieanschlüsse ergibt. In gleicher Weise umfasst die Gruppe in Parallelschaltung die jeweils angeschlossenen Batterieanschlüsse bzw. Untergruppen von Batterieanschlüssen, die hinsichtlich ihres Stroms miteinander kombiniert werden, wodurch sich eine Stromaddition ergibt.

Vorzugsweise ist dieser Batterieanschluss einem einzelnen galvanischen Element zugeordnet. Alternativ kann ein Batterieanschluss auch einem Satz galvanischer Elemente zugeordnet sein, so dass ein Batterieanschluss die kombinatorische Funktion einer Untergruppe erhält.

Bei der wahlweisen Kombination der mindestens zwei Untergruppen der Batterieanschlüsse in Serienschaltung werden die Batterieanschlüsse bzw. die Untergruppen nacheinander aufgereiht, wobei der Pluspol einer Batterie an den Minuspol der folgenden Batterie angeschlossen wird und so fort. Das Anschlussklemmenpaar ist dann mit dem Pluspol der letzten Batterie und dem Minuspol der ersten Batterie, d. h. mit dem Minus- und dem Pluspol der jeweils äußersten Batterieanschlüsse verbunden. Werden in gleicher Weise die Batterieanschlüsse als Parallelschaltung kombiniert, so werden alle Pluspole aller Batterieanschlüsse der Untergruppen bzw. die Pluspole aller Untergruppen der mindestens einen Gruppe miteinander sowie mit dem Pluspol des Anschlussklemmenpaars verbunden. In gleicher Weise werden die jeweiligen Minuspole miteinander verbunden.

Vorzugsweise umfasst jede Untergruppe die gleiche Anzahl an Batterieanschlüssen, die auf die gleiche Weise miteinander kombiniert sind. Ferner sind vorzugsweise alle Schaltelemente gleich ausgebildet, beispielsweise als Halbleiterelemente, MOSFET, Sense-FET, bipolarer Transistor, IGBT oder als Relais. Die Schaltelemente können als Ein-/ Ausschalter, d.h. als Öffner bzw. Schließer oder können als Umschalter ausgebildet sein und weisen bei verschiedenen Funktionen vorzugsweise gleiche Schaltelemente auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind alle Steuereingänge aller Schaltelemente mit einer Zentralsteuerung verbunden, wobei die Steuereingänge von Schaltelementen, die die gleiche Funk- tion aufweisen, miteinander verbunden sein können. Ferner können alle Schaltelemente, die während der Parallelschaltung den gleichen Schaltzustand aufweisen oder geschlossen sind, miteinander verbunden sein, und es können alle Steuereingänge aller Schaltelemente verbunden sein, die während der Parallelschaltung den gleichen oder einen offenen Schaltzustand aufweisen. Ebenso können alle Steuereingänge aller Schaltelemente miteinander ver- bunden sein, die bei der Schaltung in Serie den gleichen oder einen offenen Schaltzustand aufweisen, und es können alle Schalteingänge aller Schaltelemente miteinander verbunden sein, die bei einer Schaltung in Serie den gleichen oder einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen. Auf diese Weise lassen sich die Schaltelemente miteinander synchronisieren und zwei Funktionsgruppen aufteilen.

Die Verbindung zwischen den so verschalteten Steuereingängen der Schaltelemente und einer Zentralsteuerung kann mittels zweier Leitungen, mittels einer Leitung und eines logischen Inverters oder mittels nur einer Leitung vorgesehen werden. Werden zwei Leitungen verwendet, ist eine Leitung der ersten Funktionsgruppe von Schaltelementen zugeordnet, während die zweite Leitung der zweiten Funktionsgruppe von Schaltelementen zugeordnet ist. Falls nur eine Leitung verwendet wird, so entspricht der Aktivierungszustand der ersten Funktionsgruppe der Inversion bzw. Negation des Aktivierungszustands der zweiten Funktionsgruppe. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die erfϊndungs- gemäße Schaltung eine Zentralsteuerung, mit der alle Schaltelemente verbunden sind. Insbesondere ist die Zentralsteuerung vorzugsweise mit allen Steuereingängen aller Schaltelemente verbunden. Daher ist die Zentralsteuerung eingerichtet, Steuersignale auszugeben, mit denen der Schaltzustand der Schaltelemente gesteuert werden kann.

Das erfindungsgemäße Konzept wird ferner von einer Batteriegruppe umgesetzt, die mehrere Batterien oder galvanische Elemente umfasst, welche über die erfindungsgemäße Schaltung miteinander verbunden sind. Hierbei ist jeweils eine Batterie mit einem der Batteriean- Schlüsse verbunden, d. h. dass der Pluspol jeder einzelnen Batterie mit dem Pluspol des zugehörigen Batterieanschlusses verbunden ist und der Minuspol jeder Batterie mit dem zugehörigen Minuspol des Batterieanschlusses verbunden ist. Jede einzelne Batterie kann aus einem einzelnen galvanischen Element mit einer negativen und einer positiven Elektrode ausgestattet sein, oder kann eine Vielzahl vorgruppierter galvanischer Elemente umfassen. Daher kann ein einzelner Batterieanschluss oder können alle Batterieanschlüsse jeweils mit einem Batteriepack verbunden sein oder mit einer Batterie, die aus mehreren galvanischen Zellen besteht, wie es beispielsweise bei 9-Volt-Blocks oder bei 12-Volt-Kfz- Akkumulatoren bekannt ist.

Das erfindungsgemäße Konzept wird ferner von einem Elektro Werkzeug umgesetzt, das eine Batteriegruppe umfasst, die einzelne Batterien aufweist, welche mittels der erfindungsgemäßen Schaltung miteinander verbunden sind, wobei die Batteriegruppe zur Versorgung eines Verbrauchers des Elektrowerkzeugs vorgesehen ist. Das so zum kabellosen Betrieb vorgesehene Elektrowerkzeug kann daher durch einfaches Umstellen mittels der erfϊn- dungs gemäßen Schaltung in verschiedene Betriebsmodi versetzt werden. Wie bereits vermerkt, eignen sich verschiedene zum kabellosen Betrieb vorgesehene Elektrowerkzeuge zum Einsatz mit der erfindungsgemäßen Schaltung, beispielsweise mit einem ohmschen oder einem induktiven Verbraucher. Ohmsche Verbraucher umfassen beispielsweise Lichterzeu- ger, die Glühbirnen, LEDs, Kaltlichtröhren u. Ä. umfassen. Weitere ohmsche Verbraucher sind Vorrichtungen zum Erzeugen elektrostatischer Felder, statischer elektromagnetischer Felder oder Hochspannung von geringer Leistung oder Heizungen. Induktive Verbraucher umfassen Verbraucher, die mittels eines magnetischen Drehfelds eine mechanische Rotation erzeugen, insbesondere elektrische Maschinen wie Gleichstrommaschinen, die als Nebenschlussmaschine, selbsterregte Gleichstrommaschine oder als fremderregte Gleichstrommaschine geschaltet sein können. Ferner sind als elektrische Maschine äquivalente Elektromotoren verwendbar, die mit Gleichspannung bzw. Gleichstrom betrieben werden wie z.B. Synchron oder Asynchronmaschinen mit einer entsprechenden Inverterschaltung.

Das oben beschriebene erfindungsgemäße Konzept wird von einem Verfahren zum wählbaren Verknüpfen von Batteriezellen umgesetzt, mit denen ein Elektrowerkzeug mit einer Gleichspannung versorgt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das wählbare Verbinden von Batteriezellen in Parallelschaltung sowie das wählbare Verbinden der Batte- riezellen in Serie, um so zu wählen, ob an Anschlussklemmen eine hohe oder eine niedrige Gleichspannung und dementsprechend abhängig vom Innenwiderstand des Verbrauchers ein hoher oder ein niedriger Strom abgegeben werden soll. Die Parallelschaltung wird vorzugsweise nie gleichzeitig mit der Seriellschaltung angewählt, da sich derartige Beschaltungsar- ten für dieselbe Gruppe an Batteriezellen ausschließen. Die erfindungsgemäße Schaltung wird vorzugsweise für dieselben Batteriezellen wechselweise im Seriell- und im Parallelmodus betrieben. Jedoch können Batteriezellen in gleichzeitig verschiedenen Gruppen zusammengeschlossen sein, wobei eine Gruppe Batteriezellen umfasst, die in Serie miteinander verbunden sind, und eine weitere Gruppe Batteriezellen umfasst, die in Parallelschaltung miteinander verbunden sind, und eine dritte Gruppe Batteriezellen umfasst, die sowohl in Reihe wie auch parallel miteinander verschaltet sind. Die Gruppen können an verschiedene Verbraucher angelegt werden oder können miteinander verbunden werden, um einen oder mehrere Verbraucher gemeinschaftlich mit elektrischer Energie zu versorgen.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren für Elektrowerkzeuge mit Elektromo- toren als Verbraucher verwendet, bei dem die wählbare Schaltungsart zum Auswählen des Betriebsmodus des Elektromotors verwendet wird. Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise das Versorgen eines Elektrowerkzeugs, das einen Elektromotor aufweist, wobei die verschiedenen Betriebsmodi des Elektrowerkzeugs verschiedenen, wählbaren Schaltungsarten entsprechen. Wie oben bemerkt, kann eine hohe Drehzahl (bei relativ geringem Drehmoment) mittels Seriellschaltung erreicht werden, die eine hohe Spannung und eine geringen Strom erzeugt, wohingegen ein hohes Drehmoment (bei geringer Drehzahl) erreicht wird, wenn Batteriezellen in Parallelschaltung miteinander verbunden sind, um einen hohen Strom bei relativ geringer Spannung zu erzeugen. Bei einer Vielzahl von Batteriezellen können diese periodisch und/oder symmetrisch miteinander kombiniert werden, wobei jedoch bei einem überwiegenden Anteil an Parallelschaltungskombinationen innerhalb der Batteriezellen sich eine geringe Spannung bei hohem Strom realisieren lässt und bei einer Kombination überwiegend in Serie die Kombination der einzelnen Batterien eine hohe Spannung bei relativ geringem Strom vorsieht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine Seriellschaltung ausgewählt, die, nachdem der Ladezustand der Batterien durch Verbrauch reduziert ist, eine Parallelschaltung folgt. Durch die Parallelschaltung las- sen sich Ladezustandsunterschiede unter den kombinierten Batterien ausgleichen, die sich durch die Seriellschaltung ergeben haben. Wie bereits bemerkt, kann sich ein Ungleichgewicht der Batteriezellen bei einer Kombination in Serie einstellen, da Batteriezellen, die einen geringeren Ladezustand als andere Batteriezellen in der Gruppe aufweisen, anders belastet werden und somit hinsichtlich ihres Ladezustands vom Ladezustand der anderen Bat- teriezellen in der Kombination unterscheiden. Ferner lassen sich Ladungsunterschiede durch die Parallelschaltung ausgleichen, insbesondere vor, nach oder während des Aufladens der Batterien. Die Aufladung kann vorgesehen werden, wenn die Batterien in Serie geschaltet sind oder wenn sie parallel geschaltet sind. Da jedoch vor der Aufladung durch Parallelschaltung gewährleistet wurde, dass alle Batteriezellen gleich stark aufgeladen sind, ist die Energieübertragung zu den einzelnen Zellen während des Aufladens homogen, so dass auch eine Aufspaltung der Batteriezellen in Serienschaltung kein Ungleichgewicht zur Folge hat.

Im Allgemeinen kann eine Batterie ein einzelnes galvanisches Element oder eine Vielzahl von vorverdrahteten galvanischen Elementen umfassen, die elektrisch (und gegebenenfalls auch physisch miteinander verbunden sind). Als Batterien können Akkumulatoren verwendet werden, also wieder aufladbare elektrochemische Zellen, wie beispielsweise Lithium- Ionen-Akkumulatoren, Nickel-Kadmium-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhydrid- Akkumulatoren, sowie deren Äquivalente mit Polymer-Elektrolyt und/oder mit Elektroden, die durch andere Materialien substituiert sind. Ferner kann eine Batterie durch einen Bleiak- kumulator vorgesehen sein, der eine oder mehrere einzelne Bleizellen umfasst.

Die erfindungsgemäße Kombination mittels Parallel- oder Seriellschaltung der vorangehenden Beschreibung wurde hautsächlich zur Verwendung mit einem Verbraucher beschrieben. Jedoch kann die oben beschriebene erfindungsgemäße Kombination auch zum Anschluss an eine Aufladevorrichtung vorgesehen werden, beispielsweise um die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der Aufladevorrichtung an die Zellen anzupassen. So kann beispielsweise durch Umschaltung von Seriell- auf Parallelschaltung das Aufladegerät zunächst mit einer hohen Spannung arbeiten und dann, nach erfolgter Umschaltung auf eine parallele Kombination der Batterien, der Versorger mit einer geringeren Spannung versorgt werden. In gleicher Weise kann die oben als Verbraucher beschriebene elektrische Maschine auch als Generator verwendet werden, indem sie mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, das zur Stromerzeugung innerhalb der elektrischen Maschine führt. Daher eignen sich insbe- sondere Gleichstrommaschinen mit Erregung durch Permanentmagnet für den Einsatz mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit der erfindungsgemäßen Schaltung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine Stromversorgungsschaltung mit einer Steuerelektronik, einem Motor und der erfindungsgemäßen Schaltung zur Kombination von Batterieanschlüssen,

Figur 2 den Verlauf der Zellspannung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 3 den Verlauf des Aufladestroms und der Aufladespannung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung:

In der Figur 1 ist eine Stromversorgungsschaltung 12 dargestellt, die über eine Stromsteuerung 10, einen Verbraucher, in diesem Falle einen permanenterregten Gleichstrommotor 4 mit elektrischer Energie versorgt. Die Schaltung zur Stromversorgung 12 umfasst drei Batterieanschlüsse, wobei an jedem Batterieanschluss eine zugeordnete Batteriezelle 1 ange- schlössen ist. Die Batterieanschlüsse 11 umfassen jeweils einen Minuspol l la-c und einen Pluspol Hd- f. Zur erfindungsgemäßen wählbaren Kombination der Batterieanschlüsse sind Schalter S1-S4 vorgesehen. Die Schalter sind über eine Leitung 7a mit einer Steuerung 7 verbunden, die den Schaltzustand der Schalter S1-S4 steuert. Die Leitung 7a überträgt Signale, mit der die jeweiligen Steuereingänge der Schalter angesteuert werden, um die Schal- ter S1-S4 zentral über die Steuerung 7 steuern zu können. Die Schalter Sl und S2 sind Ein- Aus-Schalter, wohingegen die Schalter S3 und S4 als Wechselschalter ausgeführt sind. Die Schalter S 1 und S2 gehören zu einer ersten Funktionsgruppe, deren Aufgabe es ist, bei Parallelschaltung die Verbindung zwischen den Pluspolen herzustellen, und bei Seriellschal- tung diese Verbindung aufzuheben, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Schalter S3 und S4 bilden eine zweite Funktionsgruppe und sind als Umschalter bzw. Wechselschalter ausgebildet, die im Falle einer Parallelschaltung den Zusammenschluss aller Minuspole gewährleisten und bei Kombination in Serie einen Pol einer ersten Batterie mit dem entgegengesetzten Pol der nächsten Batterie verbinden, in diesem Fall den Minuspol einer Vorgängerbatterie, die in der Figur 1 jeweils links dargestellt ist, mit dem Pluspol der Nachfolgebatterie, die in der Figur 1 rechts dargestellt ist, verbindet. Die Stromversorgungsschaltung 12 umfasst ferner ein Anschlussklemmenpaar 13a, 13b, wobei die Klemme 13a den Pluspol bildet und die Klemme 13b den Minuspol bildet. Die Klemme 13a ist mit dem Pluspol der ersten, in der Figur 1 links dargestellten Batterie unmittelbar verbunden. Die Klemme 13b ist unmittelbar mit dem Minuspol der letzten Batterie, in der Figur 1 ganz rechts dargestellt, verbunden. Wenn die Batterieanschlüsse in Serie verbunden sind, sind die Anschlüsse 13a und 13b lediglich mit den jeweiligen unmittelbar angeschlossenen Batterieanschlüssen verbunden. Im Falle einer Parallelschaltung ist der Pluspol 13a des Klemmenpaares ebenfalls über die Schalter S2 und Sl mit den Pluspolen der Batterieanschlüsse der mittleren und der letzten Batterie, in der Figur 1 ganz rechts dargestellt, verbunden. In gleicher Weise ist der Minuspol 13b des Anschlussklemmenpaares über die Wechselschalter S3 und S4 mit den Minuspolen der ersten Batterie, in der Figur 1 ganz links dargestellt, und der mittleren Batterie verbunden. Ferner ist zu bemerken, dass im Falle der Parallelschaltung die Schalter S3 und S4 die Verbindung eines Pols mit dem entgegengesetzten Pol der folgenden Batterie aufheben.

Die Stromsteuerung 10 wird über das Anschlussklemmenpaar 13 a, b mit Strom versorgt, so dass die Stromversorgungsschaltung 12 für die Stromsteuerung 10 als zweipolige Span- nungsversorgungsquelle dient. Die Stromsteuerung 10 umfasst einen Glättungskondensa- tor Cl, der als Pufferspeicher für die Stromsteuerung und den Verbraucher dient. Der Kondensator Cl ist parallel zu dem Anschlussklemmenpaar angeschlossen. In der positiven Ver- sorgungsspannungsschiene innerhalb der Stromsteuerung ist ein elektronischer Schalter 3 vorgesehen, der als MOSFET realisiert ist. Der Schaltungszustand des MOSFET 3 wird über einen Regler 2 angesteuert, der entsprechende Steuersignale an den MOSFET 3 ausgibt. An die so angesteuerte Stromversorgungsschiene ist eine Freilauf-Diode Dl angeschlossen, auf die ein Strommesselement 5 in der positiven Versorgungsspannungsschiene folgt. Somit wird der von der Versorgungsschaltung 12 erzeugte Strom über den Minuspol 13b des Anschlussklemmenpaares an den Verbraucher 4 geliefert. Gleichzeitig wird der Strom über den Pluspol 13a des Versorgungsklemmenpaares, gesteuert durch den MOSFET 3 und überwacht über das Stromerfassungselement 5, an den Verbraucher 4, der als Elektromotor realisiert ist, geliefert. Die Freilauf-Diode schützt den Regler 2 sowie die Versorgungsschaltung 12 vor Induktionsspannung, die im Freilauf-Fall vom Elektromotor 4 erzeugt wird. Das Stromerfassungselement 5 erfasst den durch die positive Versorgungsschiene laufenden Strom, mit dem der Elektromotor 4 versorgt wird und gibt dieses Signal an den Regler 2 weiter. Der Regler 2 steuert gemäß diesem Signal den MOSFET 3 sowie abhängig von dem Signal, das von der Steuerung 7 zentral erzeugt wird. Daher ist die Steu- erung 7 nicht nur über die Leitung 7a mit allen Schaltern S1-S4 verbunden, sondern auch mit dem Regler 2 der Stromsteuerung 10. Der Regler 2 erzeugt vorzugsweise ein Pulssteuerungssignal, dessen Tastverhältnis auf den Schaltungszustand des MOSFET 3 übertragen wird, vorzugsweise durch Ansteuerung eines Gates des MOSFETs, wobei der Regler vorzugsweise vorsieht, dass der durch den MOSFET 3 fließende Strom einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt. Das Stromerfassungselement 5 kann ein Shunt- Widerstand sein, oder kann mittels des Sense-Ausgangs eines MOSFETs vorgesehen sein, der Teil des als MOSFET realisierten Schaltungselements 3 realisiert ist. Ferner sieht der Regler 2 vorzugsweise vor, dass ein vorbestimmter Batteriestrom-Maximalwert nicht überschritten wird, der bei Schaltung in Serie durch das Anschlussklemmenpaar fließt. Dieser Batteriestrom- Maximalwert, der den maximalen Strom durch den MOSFET 3 bestimmt, hängt vorzugsweise davon ab, ob die Batterieanschlüsse bzw. die Batterien 1 der Versorgungsschaltung 12 seriell geschaltet sind oder in Parallelschaltung verknüpft sind. Beispielsweise kann der Zellstrom-Maximalwert bei Parallelschaltung ein Vielfaches des Zellstrom- Maximalwerts sein, der sich bei Seriellschaltung ergibt, wobei der Multiplikatorfaktor zwi- sehen diesen beiden Maximalwerten der Anzahl der Batterien entspricht. Ferner kann das Verhältnis der beiden Maximalwerte aus dem Verhältnis der Anzahl der Batterien, die in Serie geschaltet sind, zu der Anzahl der Batterien, die in Parallelschaltung kombiniert sind, bestimmt werden. Obwohl in Figur 1 die Stromversorgungsschaltung 12 mit drei Batterien dargestellt ist, kann jede beliebige Anzahl > 1 verwendet werden. Die in Figur 1 dargestellte Schaltung in Serie der Batterien entspricht einer hohen Drehzahl bei einem geringen Drehmoment, wohingegen bei entgegengesetzter Schalterstellung, d. h. im Betrieb in Parallelkombination, ein hohes Drehmoment bei niedriger Spannung durch den Elektromotor 4 erzeugt werden kann.

Figur 2 zeigt den Verlauf der Batteriespannungen für eine Schaltung mit drei Batterien. Bis zum Zeitpunkt t = 30 min sind alle Batterien, in diesem Fall gleichartige Lithium-Ionen- Akkumulatoren, in Serie geschaltet und werden beginnend vom Zeitpunkt t = 0 min an aufgeladen. Es ist zu erkennen, dass die drei Batterien unterschiedliche Ladungszustände und somit unterschiedliche Zellspannungen aufweisen. Der Unterschied ist zum Zeitpunkt t = 0 relativ gering und erhöht sich mit fortlaufender Zeit, d. h. mit zunehmendem Ladungszustand. Mit zunehmender Zeitdauer nähern sich die einzelnen Zellspannungen ferner einem asymptotischen Wert an. Die Zellen werden im Zeitraum t = 18 min (= ti in Fig. 3) mit einem konstanten Strom aufgeladen, bis eine bestimmte Spannung erreicht wird, d. h. bis der Gesamtwert der Spannungen der Zellen einen Schwellwert erreicht hat. Ab diesem Zeitpunkt wird mit einer konstanten Spannung geladen. Da sich die innere Spannung der Batterien, d. h. die Leerlaufspannungen der Batterien stetig erhöht, fällt in dieser Phase der Strom kontinuierlich. Erreicht der Aufladestrom einen bestimmten Minimalwert, in diesem Fall zum Zeitpunkt t = 30 min, so werden die Schalter S1-S4 in der Figur 1 so gestellt, dass die drei Batterien 1 in Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ladespannung entsprechend angepasst, d. h. auf ein Drittel der Spannung bei Seriellschaltung, da sich nunmehr die Gesamtspannung nicht auf die Anzahl der Batterien verteilt, sondern an jeder einzelnen Batterie anliegt. Es ist aus Figur 2 deutlich zu erkennen, dass sich ab dem Zeitpunkt t = 30 Min, in der von Seriellschaltung auf Parallelschaltung umgestellt wird, die (inneren) Zellspannungen einander annähern. Die in Figur 2 dargestellten Spannungen sind die extrapolierten Leerlaufspannungen der Batterien und nicht die Klemmenspannungen, die zum Zeitpunkt der Parallelschaltung identisch werden.

Die Figur 3 zeigt den Verlauf des Aufladestroms (strichpunktiert) und der Aufladespannung (durchgezogene Linie). Die Figur 3 gibt somit die elektrische Leistung wieder, die durch die Versorgungsschaltung 12 der Figur 1 durch die Anschlussklemmen 13a, 13b fließt, wenn diese an eine Aufladevorrichtung angeschlossen wird. Der in Figur 3 dargestellte Verlauf gibt denselben Aufladeprozess wieder, der in Figur 2 unter Bezugnahme auf die einzelnen Batteriespannungen (Leerlaufspannungen) dargestellt ist. In der Figur 3 ist zwischen dem Zeitpunkt 0 und ti der Spannungs- und Stromverlauf dargestellt, der bei in Serie geschalteten Batterien entsteht, wobei zunächst die in Serie geschalteten Batterien mit einem Konstantstrom (4 Ampere) geladen werden. Hierbei steigt die Spannung stetig an. Nachdem die Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat (Spannung Ui), geht die Aufladevorrichtung in einen Konstantspannungsmodus über, bei dem an das Anschlussklemmenpaar eine konstante Spannung angelegt wird. Wie bereits an Hand von Figur 2 beschrieben, fällt dabei der Strom kontinuierlich, da sich die innere Spannung der Batterien (die Leerlaufspannung) der Aufladespannung Ui asymptotisch annähert. Unterschreitet der Strom einen bestimmten Schwellwert, in dem dargestellten zum Zeitpunkt t = 30 min, werden die Batterien von der seriellen Kombination in Parallelschaltung gebracht, um den Aufladestrom noch kurzfristig zu erhöhen. Gleichzeitig von der Umschaltung von Seriellschaltung zur Parallelschaltung zum Zeitpunkt t = 30 min wird die Spannung entsprechend angepasst und beträgt nunmehr ca. 4 V (= die Nennspannung einer Lithiumzelle), d. h. im Wesentlichen ein Drittel der Spannung während der Seriellschaltung. Ab dem Zeitpunkt t = 30 min sind Ausgleichsvor- gänge zwischen den Batterien untereinander möglich, so das zwischen den einzelnen Batterien über die Schalter Sl -S4 Ausgleichsströme fließen. Auf Grund dieses Ausgleichsvorgangs streben alle Batterien zum gleichen Ladungszustand, wodurch sich eine Erhöhung des Aufladestroms ergibt. In der Parallelschaltung erhält eine schwach geladene Batterie somit nicht nur Strom von der Aufladevorrichtung, sondern auch von anderen Batterien bzw. Zellen, die einen höheren Ladungszustand aufweisen. Der durch Parallelschaltung mögliche Augleich erhöht somit den Gesamtaufladestrom und verringert die insgesamt erforderliche Zeit, die der Aufiadeprozess andauert.

Das an Hand der Figuren 2 und 3 beschriebene Verfahren kann auch für Entladevorgänge verwendet werden, wobei ein zunehmendes Auseinanderdriften der Ladezustände bzw. der Klemmspannungen der einzelnen Batterien im Fall Seriellschaltung als Auslöser dienen kann, Batterien parallel miteinander zu verbinden, um eine unterschiedliche Alterung der Batterien zu vermeiden. Der Verbraucher bzw. die Steuerung des Verbrauchers muss an die geänderte Spannung an dem Anschlussklemmenpaar durch den Wechsel von Seriell- auf Parallelschaltung angepasst werden. Zum Ausgleich der geänderten Versorgungsspannung bei Umschaltung von parallel zu seriell kann auch ein geregelter DC-DC-Konverter eingesetzt werden, mit dem sich eine einstellbare, beispielsweise konstante Gesamt- Ausgangsspannung erzielen lässt, auch wenn sich dessen Eingangsspannung (=Gesamt- Batteriespannung) durch Umschaltung ändert.

Ferner können die Schaltelemente Sense-FETs umfassen, an deren Sense-Ausgang ein Signal anliegt, das den durch die Schaltelemente fließenden Strom wiedergibt. Mittels des Sig- nals lässt sich der durch die Schaltelemente fließende Strom erfassen, kontrollieren und/oder regeln. Beispielsweise wird mit dem Signal des Sense-Anschlusses erfasst, ob der Strom über einem Schwellwert liegt, wobei in diesem Fall Maßnahmen zur Stromreduktion getroffen werden können. Zur Reduktion des Stroms können die Schaltelemente derart angesteuert werden, dass sich eine Seriell-Schaltung ergibt, oder der Verbraucher bzw. die anliegen- de Ladestrom/-Ladespannungsquelle kann entsprechend eingestellt werden, um einen geringeren Strom vorzusehen.

Claims

Ansprüche

1. Schaltung mit mehreren Batterieanschlüssen (11) und einem Anschlussklemmenpaar (13 a,b), wobei die Batterieanschlüsse (11) und das Anschlussklemmenpaar (13 a,b) jeweils einen Pluspol und einen Minuspol aufweisen, die Schaltung zum wählbaren

Verbinden der Batterieanschlüsse (11) mit dem Anschlussklemmenpaar (13 a,b) vorgesehen ist, und die Schaltung Schaltelemente (6) aufweist, die mindestens zwei Untergruppen der Batterieanschlüsse (11) wahlweise in Serie zur Spannungsaddition oder in Parallelschaltung zur Stromaddition zu mindestens einer Gruppe miteinander verbinden und diese mindestens eine Gruppe mit dem Anschlussklemmenpaar (13 a,b) verbindet.

2. Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Untergruppen jeweils einen oder eine Vielzahl von Batterieanschlüssen (11) umfassen, die wiederum jeweils einem galvanischen Element zugeordnet sind.

3. Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei alle Batterieanschlüsse (11) der mindestens einen Gruppe oder der Untergruppen bei Verbindung in Serie nacheinander miteinander derart verbunden sind, dass jeweils der Pluspol eines der Batterieanschlüsse (11) mit dem Minuspol eines darauf folgenden der Batterieanschlüsse (11), der Minuspol des ersten der Batterieanschlüsse (11) mit dem Minuspol des Anschlussklemmenpaars (13 a,b), und der Pluspol des letzten der Batterieanschlüsse (11) mit dem Pluspol des Anschlussklemmenpaars (13 a,b) verbunden ist, und bei Verbindung in Parallelschaltung derart miteinander verbunden sind, dass alle Pluspole der Batterieanschlüsse (11) miteinander und mit dem Pluspol des Anschlussklemmenpaars (13 a,b) verbunden sind, und alle Mi- nuspole der Batterieanschlüsse (11) miteinander und mit dem Minuspol des Anschlussklemmenpaars (13 a,b) verbunden sind.

4. Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei alle Schaltelemente (6) gleich sind und als Halbleiterelement, MOSFET, Bipolartransistor, IGBT, Sense-FET, oder als Relais ausgebildet sind.

5. Schaltung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Zentralsteuerung (7) umfasst, mit der alle Schaltelemente (6) verbunden sind, und die eingerichtet ist, Steuersignale auszugeben, die den Schaltzustand der Schaltelemente (6) steuern.

6. Batteriegruppe (12) mit der Schaltung nach Anspruch 1, die ferner mehrere Batterien (1) umfasst, wobei jeweils eine Batterie (1) mit einem der Batterieanschlüsse (11) verbunden ist.

7. Elektrowerkzeug mit mindestens einer Batteriegruppe (12) nach Anspruch 6 und einem Verbraucher (4), der von der Batteriegruppe mit elektrischer Energie versorgt wird.

8. Verfahren zum wählbaren Verknüpfen von Batteriezellenn (1), die zum Versorgen eines Elektrowerkzeugs mit einstellbarer Gleichspannung vorgesehen sind, umfassend: Auswählen zumindest eines ersten und eines zweiten Versorgungsmodus, Verbinden der Batteriezellen (1) untereinander in Parallelschaltung und mit einem An- schlussklemmenpaar (13 a,b), wenn der erste Versorgungsmodus ausgewählt ist, bei dem an dem Anschlussklemmenpaar (13 a,b) eine geringe Gleichspannung anliegt; und

Verbinden der Batteriezellen (1) untereinander in Serie und mit dem Anschlussklemmenpaar (13 a,b), wenn der zweite Versorgungsmodus ausgewählt ist, bei dem eine hohe Gleichspannung anliegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zum Versorgen des Elektrowerkzeugs die einstellbaren Gleichspannung an eine als Nebenschlussmaschine, als selbsterregte Gleichstrommaschine oder als fremderregte Gleichstrommaschine geschaltete Gleichstrommaschine (4) umfasst und das wählbare Verbinden das Auswählen eines von mindestens zwei Drehzahlmodi umfasst, wobei ein erster Drehzahlmodus ein Modus mit geringer Drehzahl ist, während dem alle oder ein überwiegender Teil der Batteriezellen (1) in

Parallelschaltung miteinander verbunden sind, und wobei ein zweiter Drehzahlmodus ein Modus mit hoher Drehzahl ist, während dem alle oder ein überwiegender Teil der Batteriezellen (1) in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Batteriezellen (1) aufladbare Batteriezellen sind und das Verfahren einen Aufladeschritt umfasst, während dem eine äußere Quelle für elektrische Leistung an die Anschlussklemmen angelegt wird, die Batteriezellen zunächst in Serie miteinander verbunden werden und daraufhin in Parallelschaltung miteinander verbunden werden.