WO2009015960A1 - Ladungsverteilung durch ladungsübertragung innerhalb batteriepacks - Google Patents

Ladungsverteilung durch ladungsübertragung innerhalb batteriepacks Download PDF

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WO2009015960A1
WO2009015960A1 PCT/EP2008/058350 EP2008058350W WO2009015960A1 WO 2009015960 A1 WO2009015960 A1 WO 2009015960A1 EP 2008058350 W EP2008058350 W EP 2008058350W WO 2009015960 A1 WO2009015960 A1 WO 2009015960A1
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WO
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battery
current
charge
buffer
buffer memory
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/058350
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hartmut Seiler
Philipp Kohlrausch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2009015960A1 publication Critical patent/WO2009015960A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits

Definitions

  • Rechargeable batteries ie secondary cells can be damaged if they are overcharged or over-discharged.
  • Li-ion secondary battery cells may be charged to a maximum voltage of 4.0-4.5 V, and must not fall below a voltage of 2-2.5 V. If several cells are connected in a series connection to a battery pack in order to achieve a higher total capacity and total voltage, it is not sufficient to monitor the total battery pack voltage. Due to production-related variations in capacitance and parasitic discharge resistances, the cells are in different states of charge, which drift further and further apart over time due to periodically repeated charge and discharge cycles. Furthermore, an inhomogeneous temperature distribution, which occurs during operation within the battery pack, leads to a drift in the states of charge and the battery voltages.
  • the battery cells have different states of charge within a battery pack during charging and thus do not simultaneously reach their charge end voltage or a state of charge of 100%. This leads to the overload of individual cells, which are thus damaged as well as to the defective utilization of other cells. Furthermore, when discharging the battery pack, there is a risk that individual battery cells will be discharged below their minimum discharge end voltage upon reaching the discharge end voltage of the battery pack and thus damaged. This can in particular lead to reverse polarity of individual battery cells and thus to their destruction, whereby the entire battery pack is unusable. An increasing number of charge / discharge cycles increase the imbalances and result in widely spread values for the life of the battery pack, since polarity reversal of individual cells can be difficult to estimate.
  • the state of the art provides for monitoring the individual battery cells of the battery pack and, upon reaching the charge end voltage of one cell, passing the further charging current for the other, not yet fully charged battery cells past the charged cell. by using switched resistive elements.
  • JP-11178224 A describes a chopper circuit for increasing the charging voltage for a lithium secondary battery.
  • US 2006/0238165 A1 describes a method and a device for warming up lithium batteries by equipping a compensation circuit as a dissipative resistor. The equalizing currents are used to heat the accumulators in cold weather.
  • resistive elements generates heat that is critical to the operation of the battery pack at higher temperatures and, moreover, reduces efficiency because the resistive elements generate power dissipation in the form of heat.
  • a greater cooling is required to dissipate the heat output of the resistive elements, and / or the charging current must be reduced due to a limited cooling capacity, thereby increasing the total charging time.
  • the resistance elements maximum charging currents, since the rated power of the resistance elements may not be exceeded for their protection.
  • the power loss generated by resistive elements is largely or completely avoided. All, associated with the generation of power loss as heat disadvantages do not occur with the current equalizer and the inventive method. In particular, this increases the efficiency, achieves a shorter charging time, achieves an increased charging current and enables a significantly higher compensation current for balancing the batteries within the battery pack.
  • the concept underlying the invention is to transfer the excess charging energy of a battery to another battery, for the still charging energy is required by the energy to be transmitted is fed into a buffer memory and then transferred to the second remaining battery to be charged.
  • the invention is not limited to two batteries, but is generally suitable for a battery pack having at least two batteries, from a first subset (ie from a first battery) energy is fed into a buffer memory, which is connected to a second subset of batteries (second battery ) is transmitted.
  • the entire battery group can thus include charging energy donating, charging energy absorbing and also neutral in terms of charge energies batteries or battery elements.
  • excess energy is neither partially converted via resistance bypass networks nor completely via resistance heating elements into heat, but (apart from ohmic power loss components) cached in an energy storage and delivered time-shifted to a still to be charged battery or battery group.
  • a storage element which stores the energy in the buffer memory inductances are preferably used which can store energy from a first potential level and deliver it to another potential level, for example to a potential level which follows in series to the first potential level.
  • Such a memory element allows the transmission from a first row element to another row element, the series elements comprising serially connected batteries or battery terminals.
  • the battery does not necessarily have to be forwarded to the directly following series element or to the directly following battery, but can also be passed on to further battery elements, so that energy is transferred from a first storage element to a next storage element which is assigned to a further battery , can be passed on to further storage elements or batteries until the entire, from the first storage element emanating energy is completely distributed to other batteries.
  • the transfer of energy from one storage element to the next storage element following it in series thus allows the transfer of energy to other potential levels, this not necessarily being the next level of potential following thereafter.
  • the excess charging energy along a series connection (or parallel connection) of batteries is passed by means of memory elements which store the energy to be passed capacitively.
  • a capacitor can build up an electrostatic field by means of excess energy and pass it on to the next or to another storage element.
  • the memory elements can thus be designed as inductors or as capacitors. Within a circuit, both inductances and capacitances can be used as memory elements if the respectively associated circuitry is used.
  • the current equalizer thus comprises a current steering element and a first and a second current path.
  • the Stromlen- kung element connects the buffer memory via a first current path with the first battery terminal or the first battery and then connects the buffer memory via a second current path with a second battery terminal and a second Battery to deliver the cached energy to the second battery.
  • the current equalizer comprises a comparator which detects the state of charge at the first battery terminal, for example by a voltage tap and accordingly connects the buffer memory for charging the buffer memory to a first battery terminal , Then, the current steering element connects the buffer memory via the second current path to the second battery terminal, for example, when the charging of the buffer memory has continued over the first current path for a certain period of time, or if the buffer has reached a certain state of charge. This is detected, for example, by the voltage or the current is detected at the buffer memory, in order to infer the state of charge of the buffer memory. Further, the charging of the buffer memory by the first battery terminal may continue for a predetermined period of time for which the relationship
  • the actual buffer charge state is either measured by detecting a charging current or a charging voltage (for an inductance), or is estimated, for example, by applying the law of induction by measuring a period of time equal to the charging time of the storage element corresponds, ie corresponding to the duration of the time period in which the current steering element connects the buffer memory via the first current path to the first battery terminal.
  • the comparator thus has a basic function, which is that it should be recognized whether there is an overload situation at the first battery connection.
  • a second, optional function of the comparator is to detect until which time the overload situation exists when the buffer memory receives electrical energy via the first current path from the first battery terminal.
  • the comparator is set up to detect by means of measurement the point in time at which the buffer memory has reached a certain charge state, ie the point in time at which it is fully charged.
  • this state may also be determined by setting a certain period of time in which current flows over the first current path. This corresponds to a precalculation or an estimation which is made on the basis of the charging characteristics of the buffer memory, ie on the basis of the inductance or the capacity of the buffer memory.
  • the comparator controls the current steering element to provide the proper timing for completing the step of connecting the buffer to a first battery terminal, for example via a continuous or periodic measurement of the state of charge of the buffer memory or via a timer function that overrides the duration of the connection controls the first rung. Furthermore, the comparator is configured to perform a second function, which is to control the current-steering element such that the buffer memory via a second current path is connected to a second battery terminal for the correct period of time. This can be achieved in the same way by measuring the state of charge of the buffer or by providing a similar timer function, but controlling the length of the discharge of the buffer.
  • the buffer memory is designed as an inductance, so that it is charged via the first current path to generate a magnetic field, whereupon the current steering element connects the buffer memory via the second current path to the second battery terminal in order to use the magnetic field as magnetic field. see energy stored electrical energy to retrieve and deliver to the second battery connection.
  • the first battery terminal and the second battery terminal are part of a series battery connection, the first and second battery terminals being associated with a positive terminal of two different batteries, the batteries being connected in series.
  • the current equalizer according to the invention is provided as a charging voltage equalizer and not as a charge current equalizer, as would be provided in the case of a parallel connection and a use of a capacity as a buffer memory.
  • the comparator in this device compares the actual battery state of charge via a tap of the voltage applied to the first battery terminal.
  • the nominal battery state of charge in this case corresponds to a rated battery voltage, ie the end of charge voltage of a cell which is connected to the battery connection, for example a Li-ion battery with a charge end voltage of 4.1 to 4.2 V. If the nominal Battery voltage exceeds the rated battery voltage, then detects the comparator and controls accordingly the current steering element. In this case, energy must be transferred from the first battery connection to another, for example to the second battery connection, via the intermediate storage in the buffer memory.
  • the comparator detects whether the buffer memory is fully charged or reaches a nominal charge level by measuring the current that flows through the inductance, which represents the buffer memory.
  • the charge current of the buffer increases in accordance with the law of induction, wherein the achievement of a certain current corresponds to the achievement of a nominal state of charge. If this detects the comparator, this controls the current steering element to close the second current path between the buffer memory and a second battery terminal. In this way, the buffer memory discharges into the second battery terminal.
  • the current equalizer can also be designed in a complementary design, ie for a parallel battery connection.
  • the buffer memory is preferably a capacitance and, according to the parallel connection, the first battery terminal is connected in parallel with the second battery terminal.
  • the battery charge level sensor comprises a tap of a battery voltage at the first battery terminal, which detects an overload situation at the first battery terminal by voltage measurement. Detecting this situation either leaves a time interval for which the buffer memory is connected to the first battery terminal via the first current path to be charged accordingly, or triggers a continuous or periodic measurement series which detects the charging voltage at the buffer memory.
  • the actual capacitance voltage representing the actual buffer charge state can be compared with a rated capacity voltage corresponding to the target buffer charge state.
  • the buffer memory is connected via the second current path to the second battery terminal in order to deliver the energy stored in the buffer memory to the second battery terminal.
  • a predetermined amount of time may also be provided in which the buffer memory (capacitance) is connected to the first battery terminal to receive power. The duration of time is determined by the capacity and the internal resistance or charging current that results when the buffer store is being charged.
  • the first current path comprises a current measuring element for detecting the charging current during charging of the buffer memory by the first battery terminal.
  • the current measuring element is set up to detect the charging current and thus to detect the point in time at which the buffer element is sufficiently charged.
  • the current measuring element is designed in one piece with the current steering element, for example as a sense MOSFET transistor.
  • the first current path may comprise a shunt resistor, at which a voltage which is proportional to the charging current of the buffer memory drops.
  • the current steering element may comprise a saturation tap when the current steering element is designed as a transistor.
  • the saturation element thus reflects the saturation voltage of the transistor which is proportional to the current flowing through the current steering element (transistor). This current again corresponds to the charging stream of the buffer tank. From the saturation voltage can thus close directly in proportionate ratio to the charging current of the buffer memory.
  • the saturation tap may be the voltage between the drain and source of a FET that forms the current steering element, or may be the collector-emitter voltage of a transistor that forms the current steering element.
  • the second current path includes a diode that leads from the buffer memory to the second battery terminal.
  • the diode prevents a current flow from the second battery terminal to the buffer memory, whose voltage is lower than that of the second battery terminal, d. H. if the buffer is insufficiently charged.
  • the diode serves to transfer electrical power from the buffer memory to the second battery terminal when the buffer memory has a higher voltage than the second battery terminal. This is the case when the buffer memory is sufficiently charged and thus conducts electrical energy in the form of a charging current through the second current path and thus through the diode to the second battery terminal.
  • a diode within the second current path thus inherently provides the function to compare the state of charge of the buffer memory with the state of charge of the second battery terminal on the basis of the respective voltage and optionally to allow a charge current from the buffer memory to the first battery connection.
  • the diode performs both the function of comparing and the function of controlling the charging current for the second battery terminal, no active measurement of a voltage difference between the buffer memory and the second battery terminal is necessary. Rather, the comparison and the subsequent current flow result from the inherent properties of the diode as well as from the combination with the remaining current balancing circuit.
  • the comparator comprises a first comparator which compares the actual battery state of charge at the first battery terminal, for example in the form of voltage there with a reference voltage source and outputs a binary signal having a first state when the actual battery state of charge below the Target battery state of charge is and has a second state when the actual battery state of charge is above the desired battery state of charge.
  • the first comparator can be used as an operational amplifier with inverted and non-inverted input or as a binary comparator be provided.
  • the reference voltage source can be provided by means of a Zener diode, a voltage divider, a combination thereof or as an integrated reference voltage source.
  • the comparator comprises a second comparator, which comprises the current-steering element.
  • the function of the second comparator is provided by the current steering element, by this is provided as a transistor and is connected to the buffer memory in the emitter circuit.
  • the emitter circuit provides as an inherent property the function of the second comparator by the transistor acting as a switch is non-conductive, when the current through the buffer provided as an inductance exceeds a certain value.
  • an actual state of charge of the buffer memory which corresponds to a high state of charge of the inductance, results, together with the transistor, an automatic shutdown of the charge of the buffer memory (inductance), as well as a discharge of the buffer memory, via the second current path to the second Battery connection can discharge.
  • the emitter circuit of the current steering element thus provides as an inherent characteristic the comparison of the actual buffer charge state with a desired buffer charge state, and at the same time realizes the switching from the first current path to the second current path via which the second battery terminal is connected to the buffer memory. Furthermore, if a diode is provided in the second current path as described above, then it assumes the function of interrupting the first current path, while the second current path connects the buffer element to the second battery terminal.
  • the concept underlying the invention is further realized by a battery group having a plurality of rechargeable, interconnected batteries.
  • the battery group preferably comprises at least one current equalizer according to the invention.
  • the first battery terminal is connected to the at least one battery, which is associated with the current equalizer, and the second battery terminal is connected to a further of the plurality of interconnected batteries.
  • the plurality of batteries are preferably linked in series or in parallel.
  • the battery pack may be part of a battery pack in which further batteries are provided, which are connected together in the same way as the battery pack or in another way.
  • the battery group preferably comprises at least one group connection, which comprises a positive pole and a negative pole, which are connected to the batteries of the battery group. that is. The group connection therefore serves as an interface to external consumers or external chargers.
  • the battery group further comprises a power supply circuit for the comparators and for the reference voltage sources.
  • the concept underlying the invention is further provided by a method comprising the steps of first conducting a charging current to a first battery, detecting the actual battery state of charge of the first battery, forwarding at least a part or the entire charging current to a buffer memory, when the actual battery state of charge of the first battery is above a desired battery state of charge and then to conduct power from the buffer memory to the second battery.
  • the directing of the charging current to the first battery corresponds to the connection via the first current path
  • the passing of current from the buffer memory to the second battery corresponds to the conduction of current through the second current path.
  • the method may include a step of switching the connection connecting the buffer memory to the first and second battery, for example, by appropriately driving a current steering element.
  • the buffer memory is first charged with electrical energy, which converts the buffer memory into an electric or magnetic field. Thereafter, the field built up in the buffer memory is depleted again to convert it into electrical energy, which is sent to the second battery.
  • the degradation of electrical energy can be done by connecting a buffer tank provided as a capacity to a second battery with a lower voltage and by the voltage compensation, which is triggered by the voltage difference, a charging current is caused, which leads from the buffer memory to the second battery.
  • the magnetic field is reduced by no further power is supplied and thus serves by connecting to the second battery, the inductance, which provides the buffer memory, as a current pump for the second battery.
  • the method comprises a step of detecting the actual battery state of charge by measuring a voltage applied to the first battery (and the first battery terminal) by measuring the charging current supplied to the first battery (to the first battery Battery connection leads) or by the flow direction of the charging current is detected, which flows to the first battery.
  • a flow direction results towards the first battery when the charge voltage applied to the battery is greater than that of the first battery, and thus the first battery is still to be charged or, if the first battery is already overcharged, a current flow from the first battery in the opposite direction to the charging voltage source.
  • a reversal of the flow direction can occur, for example, when the first battery and thus all the batteries which are compensated with the method according to the invention with respect to the charging currents, are first charged with a constant current, and then switched to a constant charging voltage, or vice versa.
  • the flow direction of the charging current rotates when switched from the constant current charge to a constant voltage charge becomes.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of a Stromausreteers invention
  • FIG. 2 shows a battery group with a plurality of batteries and a plurality of associated current equalizers according to the invention
  • FIG. 3 is a circuit diagram for an alternative combination of batteries with current equalizers according to the invention according to an alternative embodiment
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the current equalizer according to the invention with a battery element 1, an inductance 2, a diode 3, a comparator 4, a reference voltage source 5, a switching element 6 and a shunt resistor 7.
  • the voltage of the battery cell 1 is applied to the non-inverted input of the comparator 4, which compares the battery voltage with the reference voltage source 5. If the voltage of the battery element 1 is below the reference voltage, then the switching element 6 does not conduct. In this case, the battery element 1 is charged via in series to the battery element 1 subsequent battery elements.
  • the comparator 4 detects a voltage of the battery element 1 which is higher than the rated voltage given by the reference voltage source 5, it controls the switching element 6 so that it becomes conductive.
  • the first current path leads through the shunt resistor 7 through the MOSFET transistor provided as the current steering element 6 and through the inductance 2.
  • the current of the current path is caused by the voltage at the battery terminal 10a, b.
  • the voltage drop across the battery terminal 10a, b results from the battery element 1, its internal resistance and the current impressed by other battery elements following the battery element 1. From Figure 1 it can be seen that this current leads to the charging of the inductance L or to the structure of the associated magnetic field.
  • the second current path results with the current-conducting element 6 open through the diode 3 and leads to the flow of current to a second battery terminal IIa, b, which is assigned to a further battery element.
  • the inductance 2 pumps the current stored therein via the diode 3, which is connected in the direction of flow, to the next battery terminal IIa, b. While the inductance is associated with the battery element 1 and the associated potential level when the first current path is active, the inductance 2 is discharged via the second current path, ie via the diode 3 into the following battery, which is assigned to the next higher potential level. In other words, the inductance, which is provided in FIG. 1 as a buffer store, takes the excess current from a first potential stage and discharges this energy into the next potential stage.
  • the battery element is a Li-ion element
  • the inductance is provided, for example, as a ring core choke with a high inductance value and the diode 3 as a high-power diode with a low forward voltage.
  • the diode 3 is a Schottky diode.
  • the shunt resistor 7 is preferably provided such that, when a threshold voltage predetermined by the resistance value is exceeded, the current flow through the switching element 7 is correspondingly prevented.
  • the threshold value is further determined by the properties of the current steering element 6, which may be provided as a MOSFET transistor.
  • the comparator 4 may be provided as an operational amplifier.
  • the reference voltage source is preferably a Zener diode, which is biased in the reverse direction via a specific series resistor, shown in FIG. 1 as a current source.
  • the node between the series resistor and Zener diode serves as a potential reference for the inverted input of the operational amplifier 4.
  • the inductor 2 can internally, together with the diode, the comparator 4, the reference voltage source 5, the current steering element 6 and the shunt resistor 7 may be provided, or may be connected externally thereto in the form of terminals to this circuit.
  • the entire current balancing circuit is connected via a battery connection IIa, b to an associated battery 1.
  • the operational amplifier 4 is preferably supplied with an external supply voltage source whose ground is connected to the ground terminal of the battery series circuit.
  • FIG. 1 shows a battery group of N batteries, four of which are shown again. Each battery element is connected to an associated power equalizer according to the invention.
  • the current equalizers with the exception of the outermost circuits, are identical and connected together in a repetitive manner.
  • the battery elements 101.1-101.4 are connected via battery connections 110.1a, b to 110.4a, b with respective associated current equalizers.
  • the uppermost circuit whose battery element directly adjoins the positive terminal of the group terminal U +, has a shunt resistor adjacent to the positive terminal, and whose diode is connected directly to the ground of the group terminal in order to distribute excess charge to all elements
  • the others Current balancer 101.2-101.4 on the type of circuit shown in Figure 1 in order to provide the battery via the inductance and the diode, a charging current which is connected in the next higher potential level.
  • the diode connects the respective underlying current balancing circuit with the positive pole of the battery, which is connected to the overlying potential level.
  • the battery pack of FIG. 2 further comprises a power supply and control circuit 120 which is connected to the group terminal of the battery group and has an output for each current balancer with which the comparator of the respective current balancer is supplied with the associated voltage.
  • the mass of the respective comparator forms the negative pole of the associated battery.
  • the supply and control voltage further comprises a wake-up circuit with a wake-up input, with which the supply voltages of the respective comparators or the respective current equalizer can be activated.
  • the supply and control circuit 120 includes a diagnostic unit that determines the status of the individual current balancers, for example, by measuring the current of the respective supply output or by respective return lines. The diagnostic unit sees corresponding information NEN on the status of the current equalizers by means of a signal via the diagnostic output of the supply and control circuit 120 before.
  • the negative terminal of the group terminal is not necessarily grounded, but may be provided as negative voltage by minus, to provide a balanced power supply by means of the group terminal.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an alternative embodiment which is complementary to the embodiment of Figures 1 and 2.
  • three batteries 201a-c are serially connected.
  • a current equalizer consisting of the buffer memory 202a, 202b, 202c and the current steering element 220a, b, c.
  • the buffered memory when the current steering element 220a is at the switch position 2, is charged by the voltage applied to the associated battery 201a. This applies mutatis mutandis to the current steering elements 220b and c and for the batteries 201 b and c, if the corresponding switch position is present.
  • This switch position is selected when the actual battery state of charge is too high, i. H.
  • the current steering element 220a is brought into the switch position 1 in order to transmit the overvoltage to the subsequent element 201b.
  • An excessive actual battery state of charge is determined, for example, by measuring the voltage applied to the capacitance 202a, b, c.
  • the current steering elements 220a, b, c designed as changeover switches can be repeatedly switched over so as to standardize the voltage among the batteries.
  • the switches 220a, b, c are shown only schematically and may be similar to the circuits of FIGS. 1 and 2, i. H. by means of a comparator, for example an operational amplifier, which is connected to a reference voltage source and, according to the evaluation result, drives a MOSFET transistor unit which implements the switch position 1 or 2.
  • the battery assigned to the uppermost potential level has a negative pole (-), which is connected to the current-steering element, which is likewise assigned to the uppermost potential level.
  • the capacitor In the switching position 1 of the current-steering element, which is assigned to the uppermost potential level, the capacitor is connected in parallel with the battery of the uppermost potential level. connected to the potential level.
  • the current steering element of the uppermost potential level is correspondingly connected to the positive pole of the total series connection of the batteries.
  • a and A 'series resistors may be inserted, which limits the flow of current from the respective capacitor 202a or 202b to the respective following battery 201 b, c out when the current steering elements are in the switch position 1.
  • such limiting resistors may be connected directly between capacitor or accumulator and switching element 202a, b, c in series.
  • limiting resistors may be inserted in the respective connections between the preceding battery and capacitor as a series resistor. In one embodiment, these circuit variants are combined with each other.
  • the internal resistance of the capacitor, the accumulator and / or the battery can be taken into account.
  • the current steering elements operate as change-over switches, which comprise paired switching devices which, in one particular embodiment, can be jointly actuated and synchronized with respect to their switching position.
  • Each pair of switching devices connects an associated capacitor in parallel with a first battery or battery group in a first switching position (eg 1) and connects the associated capacitor in parallel with a second battery or battery group in a second switching position (eg 2). Since the batteries or battery groups preferably belong to different potential levels, the capacitor transfers the energy across the potential levels.
  • the current steering elements are synchronized in groups or completely with each other and always have the same switching position.
  • the current-steering elements or switching devices can be provided as power semiconductors, for example in combination with diodes, and / or can be provided as relays.
  • each individual current steering element is controlled by a comparator or other comparison and control circuit, which detects a voltage difference between the associated two batteries and switches back and forth in the event of a minimum difference in charge and / or voltage between batteries or battery groups, so that the associated buffer element is alternately connected to the two batteries or battery groups.
  • the capacitance may be a unipolar or bipolar capacitor, for example an electrolytic capacitor or a gold cap.
  • a buffer memory and an accumulator can be used, which takes the place of capacity, for example, a Akkumula- gate with a capacity that is significantly smaller than the capacity of the batteries, for example, a capacity of less than 10% of the battery capacity.
  • the capacitor may be connected to an up-voltage converter configured to transform the voltage of the capacitor or accumulator to a voltage that provides a higher and / or controllable current flow from the capacitor or accumulator to the battery to be charged.
  • a buffer element may be associated with a power transmitting connection between two adjacent batteries controlled by the respective switching elements.
  • a buffer element may be associated with more than two batteries, for example, only one buffer element may be associated with a plurality of batteries, with a switching network directly resulting from the figures making the respective connection to either charge the buffer element to a battery , or to discharge the buffer element on a battery.
  • a buffer element can be assigned in this way more than two batteries, preferably the buffer element always takes energy from exactly one battery and delivers to exactly one battery.
  • the current equalizer according to the invention which also preferably operates as a charge equalizer, can generally be used during charging of batteries, or also outside of charging processes, when different load conditions occur, for example after significant discharging operations. If, for example, after significant discharging operations, the batteries are to be brought to an identical average battery state of charge, which is not at a charge state of 100%, the reference voltage is preferably adjusted to this average value to be determined.
  • the current equalizer according to the invention and the method according to the invention can be used when a charging process is completed, during which, however, complete homogenization of the states of charge of the batteries has not been achieved.
  • the circuit can be integrated into an ASIC.
  • the saturation voltage of the transistor instead of measuring the current by means of a shunt resistor.
  • the saturation voltage of the transistor serving as the switching element is proportional to the current through the transistor to be measured and increases with the temperature.
  • an inherent over-temperature protection of the transistor or of the ASIC is achieved, since the transistor is advantageously integrated in the ASIC and thus all the components of the ASIC have the same temperature.
  • the current steering element may also be driven by a timer.
  • a timer can be implemented by means of an RC element, an LR element, an integrated counter with frequency generator or similar known devices. By choosing the time of the timer thus the amount of current through the transistor is determined in Abschaltmoment. Therefore, the current equalizer according to the invention, if equipped with a timer, can also be provided without shunt resistor or without measurement of the saturation voltage for determining the buffer charge state. Further, the saturation voltage of the transistor provided as a current steering element for detecting the temperature of the transistor can be measured.
  • the battery is depleted of the energy 1 AL • I 2 and temporarily stored in inductance. After switching off the transistor 6, the energy of the inductance is transmitted via the diode to a subsequent battery element.
  • the circuit by mirroring in such a way that the energy is transmitted to a battery element which is lower in terms of potential.
  • the batteries and the current equalizers according to the invention are connected to one another in such a way that the energy taken from a fully charged element is distributed to a plurality of battery elements which are not completely charged.
  • a faster balancing of the battery elements is achieved with less loss.
  • the energy which has been taken from an element is distributed to all batteries lying in the potential, if their number is higher than the number of lower-lying elements with respect to the potential, ie. H. the batteries of the underlying potential levels.
  • the extracted balancing energy is preferably distributed to the batteries which are deeper in potential, if their number is higher than the number of the batteries lying above them.
  • the temperature of the battery elements can be taken into account so that batteries with high temperatures are loaded less, ie. H. be discharged less at high battery level, and less charged at lower battery levels.
  • the switching elements are controlled by a control device such that they repeatedly change the switching state.
  • a control device may comprise one or a plurality of clock generators whose frequency and / or duty cycle can be set.
  • a clock generator can drive exactly one switching element, a group of switching elements or all switching elements.
  • a supply control circuit it can only activate the current balancing circuits when the batteries are being charged and optionally for a predetermined overrun time, which is predetermined, for example, by a predetermined time duration or by a predetermined balancing value.
  • the Symmet istswert corresponds, for example, the scatter of the states of charge of the batteries.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betriffteinen Stromausgleicher zum Ausgleichen von Ladeströmen in einer Batteriegruppe. Der Stromausgleicher umfasst: einen Vergleicher, ein Stromlenkungselement, das mit Vergleicher verbunden und von diesem gesteuert ist, einen Pufferspeicher für elektrische Energie sowie einen ersten Strompfad und einen zweiten Strompfad. Der erste Strompfad verbindet den Pufferspeicher über das Stromlenkungselement mit einem ersten Batterieanschluss und der zweite Strompfad verbindet den Pufferspeicher über das Stromlenkungselement mit einem zweiten Batterieanschluss. Der Stromausgleicher umfasst ferner einen Batterie-Ladungsstandsensor, der den Vergleicher mit einem Ist-Batterieladezustand versorgt, der an dem ersten Batterieanschluss anliegt. Der Vergleicher ist eingerichtet, den Ist-Batterieladezustand mit einem Soll-Batterieladezustand zu vergleichen und, wenn der Ist-Batterieladezustand über dem Soll-Batterieladezustand liegt, das Stromlenkungselement derart anzusteuern, dass das Stromlenkungselement den Pufferspeicher mit dem ersten Batterieanschluss verbindet und danach den Pufferspeicher mit dem zweiten Batterieanschluss verbindet.

Description

Beschreibung
Titel
Ladungsverteilung durch Ladungsübertragung innerhalb Batteriepacks
Stand der Technik
Aufladbare Batterien, d. h. Sekundärzellen können Schaden nehmen, wenn sie überladen werden oder zu stark entleert werden. Beispielsweise dürfen Li-Ionen-Sekundärbatterie- zellen maximal auf eine Spannung von 4,0-4,5 V aufgeladen werden, und dürfen eine Spannung von 2-2,5 V nicht unterschreiten. Werden mehrere Zellen in einer Reihenschaltung zu einem Batteriepack verschaltet, um eine höhere Gesamtkapazität und Gesamtspannung zu erreichen, so genügt es nicht, die Gesamt- Batteriepackspannung zu überwachen. Auf Grund von fertigungsbedingten Streuungen der Kapazität und der parasitären Entladewiderstände befinden sich die Zellen in verschiedenen Ladezuständen, die im Lauf der Zeit durch sich periodisch wiederholende Lade- und Entladezyklen immer weiter auseinanderdriften. Ferner führt eine inhomogene Temperaturverteilung, die sich während des Betriebs innerhalb des Batteriepacks einstellt, zu einem Drift hinsichtlich der Ladezustände und der Batteriespannungen. Aus diesem Grund weisen die Batteriezellen innerhalb eines Batteriepacks beim Laden verschiedene Ladezustände auf und erreichen somit nicht gleichzeitig ihre Ladeendspannung bzw. einen Ladezustand von 100 %. Dies führt zur Überladung einzelner Zellen, die somit geschädigt werden sowie zum mangelhaften Ausnutzen anderer Zellen. Ferner besteht beim Entladen des Batteriepacks die Gefahr, dass beim Erreichen der Entladeendspannung des Batteriepacks einzelne Batteriezellen unter ihre minimale Entladeendspannung entladen werden und somit geschädigt werden. Dies kann insbesondere zur Verpolung einzelner Batteriezellen und somit zu deren Zerstörung führen, wodurch das gesamte Batteriepack unbrauchbar wird. Durch eine zunehmende Anzahl von Lade-/Entladezyklen verstärken sich die Unsymmetrien und es ergeben sich breit gestreute Werte für die Lebensdauer des Batteriepacks, da die Verpolung einzelner Zellen schwer geschätzt werden kann. Um die Ungleichheiten zu vermeiden, sieht der Stand der Technik vor, die einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks zu überwachen und beim Erreichen der Ladeendspannung einer Zelle den weiteren Ladestrom für die anderen, noch nicht vollständig geladenen Bat- teriezellen, an der geladenen Zelle vorbei zu leiten, indem geschaltete Widerstandselemente verwendet werden.
Die Druckschrift JP-11178224 A beschreibt eine Zerhackerschaltung zum Erhöhen der Ladespannung für einen Lithium-Akkumulator. Die Druckschrift US 2006/0238165 Al be- schreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufwärmen von Lithium- Batterien, indem ein Ausgleichschaltkreis als dissipativer Widerstand ausgestattet ist. Die Ausgleichsströme werden verwendet, um die Akkumulatoren bei Kälte zu erwärmen.
Durch die Verwendung von Widerstandselementen wird zum Einen Wärme erzeugt, die für den Betrieb des Batteriepacks bei höheren Temperaturen kritisch ist, und ferner wird der Wirkungsgrad verringert, da die Widerstandselemente eine Verlustleistung in Form von Wärme erzeugen. Dadurch ist eine stärkere Kühlung erforderlich, um die Wärmeleistung der Widerstandselemente abzuführen, und/oder der Ladestrom muss aufgrund einer begrenzten Kühlleistung verringert werden, wodurch sich die Gesamtladezeit erhöht. Ferner ergeben sich durch die Widerstandselemente maximale Ladeströme, da die Nennleistung der Widerstandselemente zu deren Schutz nicht überschritten werden darf.
Offenbarung der Erfindung
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die von Widerstandselementen erzeugte Verlustleistung größtenteils oder vollständig vermieden. Sämtliche, mit der Erzeugung von Verlustleistung als Wärme verknüpften Nachteile treten mit dem erfindungsgemäßen Stromausgleicher und dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf. Insbesondere wird hierdurch der Wirkungsgrad erhöht, eine kürzere La- dezeit erreicht, ein erhöhter Ladestrom erzielt und ein deutlich höherer Ausgleichsstrom zur Symmetrierung der Batterien innerhalb des Batteriepacks ermöglicht.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept besteht darin, die überschüssige Ladeenergie einer Batterie auf eine weitere Batterie zu übertragen, für die noch Ladeenergie erforderlich ist, indem die zu übertragende Energie in einen Pufferspeicher eingespeist wird und daraufhin an die zweite noch zu ladende Batterie übertragen wird. Die Erfindung ist nicht auf zwei Batterien beschränkt, sondern eignet sich im Allgemeinen für eine Batteriegruppe mit mindestens zwei Batterien, wobei von einer Erstuntergruppe (d. h. von einer ersten Batterie) Energie in einen Pufferspeicher eingespeist wird, die an eine zweite Untergruppe von Batterien (zweite Batterie) übertragen wird. Die gesamte Batteriegruppe kann somit Ladeenergie abgebende, Ladeenergie aufnehmende und auch hinsichtlich der Ladungsenergien neutrale Batterien bzw. Batterieelemente umfassen. Erfindungsgemäß wird überschüssige Energie weder teilweise über Widerstands-Umleitungsnetzwerke noch vollständig über Widerstands- Heizelemente in Wärme umgewandelt, sondern (abgesehen von ohmschen Verlustleistungskomponenten) in einem Energiespeicher zwischengespeichert und zeitversetzt an eine noch zu ladende Batterie oder Batteriegruppe abgegeben. Als Speicherelement, das in dem Pufferspeicher die Energie speichert, werden vorzugsweise Induktivitäten verwendet, die Energie von einem ersten Potentialniveau speichern können und an ein anderes Potentialniveau abgeben können, beispielsweise an ein Potentialniveau, das in Serienschaltung auf das erste Potentialniveau folgt. Ein derartiges Speicherelement erlaubt die Übertragung von einem ersten Reihenelement an ein weiteres Reihenelement, wobei die Reihenelemente seriell aneinander geschlossene Batterien oder Batterieanschlüsse umfassen. Die Batterie muss nicht notwendigerweise an das di- rekt darauf folgende Reihenelement bzw. an die direkt darauffolgende Batterie weitergegeben werden, sondern kann auch an weitere Batterieelemente weitergegeben werden, so dass Energie von einem ersten Speicherelement zu einem nächsten Speicherelement, das einer weiteren Batterie zugeordnet ist, an weitere Speicherelemente oder Batterien weitergegeben werden kann, bis die gesamte, von dem ersten Speicherelement stam- mende Energie vollständig auf weitere Batterien verteilt ist. Die Weitergabe von Energie von einem Speicherelement zum darauf seriell folgenden nächsten Speicherelement erlaubt somit die Weitergabe von Energie an andere Potentialstufen, wobei dies nicht notwendigerweise die nächste darauf folgende Potentialstufe ist.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die überschüssige Ladeenergie entlang einer Reihenschaltung (oder auch Parallelschaltung) von Batterien mittels Speicherelementen weitergegeben, die die weiterzugebende Energie kapazitativ speichern. Somit kann eine Kapazität ein elektrostatisches Feld mittels überschüssiger Energie aufbauen und dieses an das nächste oder an ein anderes Speicherelement weitergeben. -A-
Die Speicherelemente können somit als Induktivitäten oder als Kapazitäten ausgeführt werden. Innerhalb einer Schaltung können sowohl Induktivitäten als auch Kapazitäten als Speicherelemente verwendet werden, wenn die jeweils zugehörige Beschaltung verwen- det wird.
Der erfindungsgemäße Stromausgleicher umfasst folglich ein Stromlenkungselement sowie einen ersten und einen zweiten Strompfad. Im Falle eines Energieüberschusses bei einem ersten Batterieanschluss oder bei einer ersten Batterie verbindet das Stromlen- kungselement den Pufferspeicher über einen ersten Strompfad mit dem ersten Batterieanschluss bzw. der ersten Batterie und verbindet daraufhin den Pufferspeicher über einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Batterieanschluss bzw. einer zweiten Batterie, um die zwischengespeicherte Energie an die zweite Batterie abzugeben. Um zu erkennen, dass an der ersten Batterie bzw. an dem ersten Batterieanschluss überschüssige Energie vorliegt, umfasst der Stromausgleicher einen Vergleicher, der den Ladezustand am ersten Batterieanschluss erfasst, beispielsweise durch einen Spannungsabgriff und dementsprechend den Pufferspeicher zum Aufladen des Pufferspeichers an einen ersten Batterieanschluss anschließt. Daraufhin verbindet das Stromlenkungselement den Pufferspeicher über den zweiten Strompfad mit dem zweiten Batterieanschluss, beispielsweise wenn die Aufladung des Pufferspeichers über den ersten Strompfad bereits eine bestimmte Zeitdauer angedauert hat, oder wenn der Pufferspeicher einen bestimmten Ladezustand erreicht hat. Dies wird beispielsweise erfasst, indem die Spannung oder der Strom am Pufferspeicher erfasst wird, um daraus auf den Ladezustand des Pufferspeichers zu schließen. Ferner kann das Aufladen des Pufferspeichers durch den ersten Batterieanschluss eine vorbestimmte Zeitdauer andauern, für die der Zusammenhang
I (t) = l/L JU dt
gilt, falls der Pufferspeicher eine Induktivität ist. Wenn näherungsweise angenommen wer- den kann, dass U über die betrachtet Zeitdauer konstant ist, oder wenn ein Mittelwert angenommen werden kann, gilt der Zusammenhang:
I (t) = (Uze„e / L) • t. In gleicher Weise ergibt sich der Ladezustand aus der Zeit bei Verwendung von Kapazitäten, wenn die Kapazität und der Innenwiderstand der ersten Kapazität bekannt ist durch die Formel
U (t) = U0 - (l-e -Vτ),
wobei gilt:
T = rlinnen* ^
Im Allgemeinen wird der Ist- Pufferladezustand entweder gemessen durch Erfassen eines Ladestroms oder einer Ladespannung (für eine Induktivität bzw. für eine Kapazität), oder wird geschätzt bzw. berechnet, beispielsweise durch Anwendung des Induktionsgesetzes indem eine Zeitdauer gemessen wird, die der Ladedauer des Speicherelements ent- spricht, d. h. die der Dauer der Zeitperiode entspricht, in der das Stromlenkungselement den Pufferspeicher über den ersten Strompfad mit dem ersten Batterieanschluss verbindet. Erfindungsgemäß hat der Vergleicher somit eine Grundfunktion, die darin besteht, dass erkannt werden soll, ob am ersten Batterieanschluss eine Überladesituation vorliegt. Eine zweite, optionale Funktion des Vergleichers besteht darin, zu erfassen, bis zu wel- chem Zeitpunkt die Überladesituation vorliegt, wenn der Pufferspeicher elektrische Energie über den ersten Strompfad von dem ersten Batterieanschluss erhält. Vorzugsweise ist der Vergleicher jedoch eingerichtet, mittels Messung den Zeitpunkt zu erkennen, an dem der Pufferspeicher einen bestimmten Ladezustand erreicht hat, d. h. den Zeitpunkt, an dem dieser voll geladen ist. Alternativ kann dieser Zustand auch durch Festlegen einer bestimmten Zeitdauer, in der Strom über den ersten Strompfad fließt, festgelegt werden. Dies entspricht einer Vorabberechnung bzw. einer Schätzung, die auf Grund der Ladeeigenschaften des Pufferspeichers getätigt wird, d. h. auf Grund der Induktivität bzw. der Kapazität des Pufferspeichers. Daher steuert der Vergleicher das Stromlenkungselement an, um den richtigen Zeitpunkt zum Beenden des Schritts des Verbindens des Pufferspei- chers mit einem ersten Batterieanschluss vorzusehen, beispielsweise über eine kontinuierliche oder periodische Messung des Ladezustands des Pufferspeichers oder über eine Timerfunktion, die die Zeitdauer des Verbindens über den ersten Strompfad steuert. Ferner ist der Vergleicher zur Ausführung einer zweiten Funktion eingerichtet, die darin besteht, das Stromlenkungselement derart anzusteuern, dass der Pufferspeicher über einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Batterieanschluss für die richtige Zeitdauer verbunden ist. Dies kann in gleicher Weise erreicht werden, indem der Ladezustand des Pufferspeichers gemessen wird oder indem eine ähnliche Timerfunktion vorgesehen wird, die jedoch die Länge des Entladens des Pufferspeichers steuert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Pufferspeicher als Induktivität ausgeführt, so dass diese über den ersten Strompfad geladen wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, woraufhin das Stromlenkungselement den Pufferspeicher über den zweiten Strompfad mit dem zweiten Batterieanschluss verbindet, um die als magneti- sehe Energie gespeicherte elektrische Energie wieder abzurufen und an den zweiten Batterieanschluss zu liefern. In diesem Fall sind der erste Batterieanschluss und der zweite Batterieanschluss Teil einer Batterie- Reihenschaltung, wobei der erste und der zweite Batterieanschluss einem Pluspol von zwei verschiedenen Batterien zugeordnet sind, wobei die Batterien in Reihenschaltung verknüpft sind. In diesem Fall ist der erfindungsge- mäße Stromausgleicher als Ladespannungsausgleicher vorgesehen und nicht als Ladestromausgleicher, wie er im Falle einer Parallelschaltung und einer Verwendung einer Kapazität als Pufferspeicher vorgesehen wäre. Der Vergleicher vergleicht in dieser Vorrichtung den Ist- Batterieladezustand über einen Abgriff der Spannung, die am ersten Batterieanschluss anliegt. Der Soll- Batterieladezustand entspricht in diesem Fall einer Nenn- Batteriespannung, d. h. der Ladeendspannung einer Zelle, die an den Batterieanschluss angeschlossen wird, beispielsweise bei einer Li- Ionen- Batterie einer Ladeendspannung von 4,1 - 4,2 V. Falls die Soll- Batteriespannung die Nenn- Batteriespannung übersteigt, so erfasst dies der Vergleicher und steuert dementsprechend das Stromlenkungselement. In diesem Fall muss Energie von dem ersten Batterieanschluss an einen weiteren, bei- spielsweise an den zweiten Batterieanschluss über die Zwischenspeicherung in dem Pufferspeicher übertragen werden. Als zweite Funktion erfasst der Vergleicher, ob der Pufferspeicher voll geladen ist bzw. einen Nenn- Ladestand erreicht, indem der Strom gemessen wird, der durch die Induktivität fließt, welche den Pufferspeicher darstellt. Der Ladestrom des Pufferspeichers steigt gemäß dem Induktionsgesetz an, wobei das Erreichen eines bestimmten Stroms dem Erreichen eines Nenn- Ladezustands entspricht. Erfasst dies der Vergleicher, so steuert dieser das Stromlenkungselement an, um den zweiten Strompfad zwischen dem Pufferspeicher und einem zweiten Batterieanschluss zu schließen. Auf diese Weise entlädt sich der Pufferspeicher in den zweiten Batterieanschluss. Alternativ kann der Stromausgleicher auch in komplementärer Ausführung ausgebildet sein, d. h. für eine Batterie- Parallelschaltung. In diesem Fall ist der Pufferspeicher vorzugsweise eine Kapazität, und, gemäß der Parallelschaltung, der erste Batterieanschluss parallel mit dem zweiten Batterieanschluss verknüpft. Dementsprechend umfasst der Bat- terie- Ladungsstandsensor einen Abgriff einer Batteriespannung am ersten Batterieanschluss, die eine Überladungssituation am ersten Batterieanschluss durch Spannungsmessung erfasst. Das Erfassen dieser Situation lässt entweder ein Zeitintervall auf, für das der Pufferspeicher über den ersten Strompfad mit dem ersten Batterieanschluss verbunden ist, um entsprechend aufgeladen zu werden, oder löst eine kontinuierliche oder perio- dische Messreihe aus, die die Ladespannung am Pufferspeicher erfasst. Somit kann die Ist- Kapazitätsspannung, die den Ist- Pufferladezustand wiedergibt, mit einer Nenn- Kapazitätsspannung verglichen werden, die dem Soll- Pufferladezustand entspricht. Ist dieser erreicht, so wird der Pufferspeicher über den zweiten Strompfad mit dem zweiten Batterieanschluss verbunden, um die in dem Pufferspeicher gespeicherte Energie an den zweiten Batterieanschluss abzugeben. Wie bereits bemerkt, kann alternativ zur Erfassung und dem Vergleich der Ist- Kapazitätsspannung mit der Nenn- Kapazitätsspannung auch eine vorgegebene Zeitdauer vorgesehen werden, in der der Pufferspeicher (die Kapazität) mit dem ersten Batterieanschluss verbunden ist, um Energie aufzunehmen. Die Zeitdauer bemisst sich nach der Kapazität und dem Innenwiderstand bzw. dem Ladestrom, der sich beim Laden des Pufferspeichers ergibt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, in der der Pufferspeicher als Induktivität vorgesehen ist, und der erste und der zweite Batterieanschluss zueinander in Reihe geschaltet sind, umfasst der erste Strompfad ein Strom- Messelement zum Erfassen des Ladestroms beim Aufladen des Pufferspeichers durch den ersten Batterieanschluss. Das Strommesselement ist eingerichtet, den Ladestrom zu erfassen und somit den Zeitpunkt zu erfassen, an dem das Pufferelement ausreichend geladen ist. Zum Erfassen des Stroms ist das Strom- Messelement einteilig mit dem Stromlenkungselement ausgeführt, beispielsweise als Sense-MOSFET-Transistor. Ferner kann der erste Strompfad einen Shunt- Widerstand umfassen, an dem eine Spannung abfällt, die proportional zum Ladestrom des Pufferspeichers ist. Ferner kann das Stromlenkelement einen Sättigungsabgriff umfassen, wenn das Stromlenkungselement als Transistor ausgeführt ist. Das Sättigungselement gibt somit die Sättigungsspannung des Transistors wieder, die proportional zum Strom ist, der durch das Stromlenkungselement (Transistor) fließt. Dieser Strom wiederum entspricht dem Lade- strom des Pufferspeichers. Aus der Sättigungsspannung lässt sich somit direkt in proportionalem Verhältnis auf den Ladestrom des Pufferspeichers schließen. Der Sättigungsabgriff kann die Spannung zwischen Drain und Source eines FET sein, der das Stromlenkungselement bildet, oder kann die Kollektor- Emitterspannung eines Transistors sein, der das Stromlenkungselement bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Strompfad eine Diode, die vom Pufferspeicher zum zweiten Batterieanschluss hinleitet. Auf diese Weise unterbindet die Diode einen Stromfluss vom zweiten Batterieanschluss zum Pufferspeicher, dessen Spannung geringer als die des zweiten Batterieanschlusses ist, d. h. wenn der Pufferspeicher nur unzureichend geladen ist. Ferner dient die Diode der Übertragung von elektrischer Leistung von dem Pufferspeicher zu dem zweiten Batterieanschluss, wenn der Pufferspeicher eine höhere Spannung als der zweite Batterieanschluss aufweist. Dies ist der Fall, wenn der Pufferspeicher ausreichend geladen ist und somit elektrische Energie in Form eines Ladestroms durch den zweiten Strompfad und somit durch die Diode zum zweiten Batterieanschluss leitet. Die Verwendung einer Diode innerhalb des zweiten Strompfads sieht somit inhärent die Funktion vor, den Ladezustand des Pufferspeichers mit dem Ladezustand des zweiten Batterieanschlusses an Hand der jeweiligen Spannung zu vergleichen und gegebenenfalls einen Ladungsstrom ausgehend vom Pufferspeicher zum ersten Batterieanschluss hin zu ermöglichen. In dieser Ausführung, in der die Diode sowohl die Funktion des Vergleichens als auch die Funktion des Steuerns des Ladestroms für den zweiten Batterieanschluss übernimmt, ist keine aktive Messung eines Spannungsunterschieds zwischen Pufferspeicher und zweitem Batterieanschluss notwendig. Vielmehr ergibt sich der Vergleich und der darauf folgende Stromfluss aus den inhä- renten Eigenschaften der Diode sowie aus der Verknüpfung mit der restlichen Stromaus- gleicherschaltung.
Vorzugsweise umfasst der Vergleicher einen ersten Komparator, der den Ist- Batterieladezustand am ersten Batterieanschluss, beispielsweise in Form der dort anliegenden Span- nung, mit einer Referenzspannungsquelle vergleicht und ein binäres Signal ausgibt, das einen ersten Zustand aufweist, wenn der Ist- Batterieladezustand unter dem Soll- Batterieladezustand liegt und einen zweiten Zustand aufweist, wenn der Ist- Batterieladezustand über dem Soll- Batterieladezustand liegt. Der erste Komparator kann als Operationsverstärker mit invertiertem und nicht invertiertem Eingang oder als Binärkomparator vorgesehen sein. Die Referenzspannungsquelle kann mittels einer Z-Diode, eines Spannungsteilers, einer Kombination hiervon oder als integrierte Referenzspannungsquelle vorgesehen sein.
Vorzugsweise umfasst der Vergleicher einen zweiten Komparator, welcher das Stromlenkungselement umfasst. Die Funktion des zweiten Komparators wird durch das Stromlenkungselement vorgesehen, indem dieses als Transistor vorgesehen ist und mit dem Pufferspeicher in der Emitterschaltung verbunden ist. Die Emitterschaltung sieht als inhärente Eigenschaft die Funktion des zweiten Komparators vor, indem der als Schalter arbeitende Transistor nichtleitend wird, wenn der Strom durch den als Induktivität vorgesehenen Pufferspeicher einen bestimmten Wert übersteigt. Bei einem Ist- Ladezustand des Pufferspeichers, der einem hohen Ladezustand der Induktivität entspricht, ergibt sich, zusammen mit dem Transistor, eine automatische Abschaltung der Ladung des Pufferspeichers (Induktivität), sowie eine Entladung des Pufferspeicher, der sich über den zweiten Strompfad zu dem zweiten Batterieanschluss hin entladen kann. Die Emitterschaltung des Stromlenkungselements sieht somit als inhärente Eigenschaft den Vergleich des Ist- Pufferladezustands mit einem Soll- Pufferladezustand vor, und realisiert gleichzeitig das Umschalten von dem ersten Strompfad auf den zweiten Strompfad, über den der zweite Batterieanschluss mit dem Pufferspeicher verbunden ist. Ist ferner eine Diode wie oben beschrieben im zweiten Strompfad vorgesehen, so übernimmt diese die Funktion der Unterbrechung des ersten Strompfads, während der zweite Strompfad das Pufferelement mit dem zweiten Batterieanschluss verbindet.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept wird ferner von einer Batteriegruppe reali- siert, die mehrere aufladbare, miteinander verbundene Batterien aufweist. Vorzugsweise umfasst die Batteriegruppe mindestens einen erfindungsgemäßen Stromausgleicher. Hierbei ist der erste Batterieanschluss mit der mindestens einen Batterie verbunden, die dem Stromausgleicher zugeordnet ist, und der zweite Batterieanschluss ist mit einer weiteren der mehreren miteinander verbundenen Batterien verbunden. Die mehreren Batterien sind vorzugsweise Reihe oder parallel miteinander verknüpft. Die Batteriegruppe kann Teil eines Batteriepacks sein, in dem weitere Batterien vorgesehen sind, welche in gleicher Weise wie die Batteriegruppe oder in einer anderen Weise miteinander verbunden sind. Die Batteriegruppe umfasst vorzugsweise mindestens einen Gruppenanschluss, der einen Pluspol sowie einen Minuspol umfasst, der mit den Batterien der Batteriegruppe verbun- den ist. Der Gruppenanschluss dient daher als Schnittstelle zu externen Verbrauchern oder zu externen Ladegeräten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Batteriegruppe ferner eine Stromversorgungsschaltung für die Komparatoren sowie für die Referenzspannungsquellen.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept wird ferner von einem Verfahren vorgesehen, das Schritte aufweist, zunächst einen Ladestrom zu einer ersten Batterie zu leiten, den Ist- Batterieladezustand der ersten Batterie zu erfassen, zumindest einen Teil oder den gesamten Ladestrom an einen Pufferspeicher weiterzuleiten, wenn der Ist- Batterieladezustand der ersten Batterie über einem Soll- Batterieladezustand liegt und daraufhin Strom ausgehend von dem Pufferspeicher an die zweite Batterie zu leiten. Das Leiten des Ladestroms zur ersten Batterie entspricht dem Verbinden über den ersten Strom- pfad, und das Leiten von Strom ausgehend von dem Pufferspeicher an die zweite Batterie entspricht dem Leiten von Strom durch den zweiten Strompfad. Um die Schritte des Lei- tens durch den ersten bzw. zweiten Strompfad vorzusehen, kann das Verfahren einen Schritt des Umschaltens der Verbindung umfassen, die den Pufferspeicher mit der ersten bzw. zweiten Batterie verbindet, beispielsweise durch entsprechendes Ansteuern eines Stromlenkungselements.
Vorzugsweise wird der Pufferspeicher zunächst mit elektrischer Energie aufgeladen, die der Pufferspeicher in ein elektrisches oder magnetisches Feld umwandelt. Daraufhin wird das in dem Pufferspeicher aufgebaute Feld wieder abgebaut, um dieses in elektrische Energie zu verwandeln, die an die zweite Batterie geleitet wird. Der Abbau elektrischer Energie kann dadurch geschehen, dass ein als Kapazität vorgesehener Pufferspeicher an eine zweite Batterie mit geringerer Spannung angeschlossen wird und durch den Spannungsausgleich, der durch die Spannungsdifferenz ausgelöst wird, ein Ladestrom hervorgerufen wird, der von dem Pufferspeicher zu der zweiten Batterie führt. Ferner wird das magnetische Feld abgebaut, indem kein weiterer Strom mehr zugeführt wird und somit durch Anschließen an die zweite Batterie die Induktivität, die der Pufferspeicher vorsieht, als Strompumpe für die zweite Batterie dient. Der dabei fließende Ladungsstrom hängt von der Spannungsdifferenz zwischen Pufferspeicher und zweiter Batterie ab sowie von dem Induktivitätswert des Pufferspeichers. Vorzugsweise umfasst das Verfahren einen Schritt des Erfassens des Ist-Batterieladezu- stands durch Messen einer Spannung, die an der ersten Batterie (und an dem ersten Bat- terieanschluss) anliegt, indem der Ladestrom gemessen wird, der zu der ersten Batterie ( zu dem ersten Batterieanschluss führt) oder indem die Flussrichtung des Ladestroms er- fasst wird, der an die erste Batterie fließt. Bei dem Erfassen der Flussrichtung ergibt sich eine Flussrichtung zur ersten Batterie hin, wenn die an der Batterie anliegende Ladespannung größer als die der ersten Batterie ist, und somit die erste Batterie noch aufgeladen werden soll oder, wenn die erste Batterie bereits überladen ist, ein Stromfluss von der ersten Batterie in entgegengesetzter Richtung zur Ladespannungsquelle hin. Eine Umkehrung der Flussrichtung kann beispielsweise auftreten, wenn die erste Batterie und somit alle Batterien, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich der Ladeströme ausgeglichen werden, zunächst mit einem Konstantstrom geladen werden, und dann auf eine Konstantladespannung umgeschaltet wird, oder umgekehrt. Ist beispielsweise eine Batterie bereits durch einen Konstantladestrom überladen, woraufhin die Batterie mit einer Ladespannung beaufschlagt wird, die der Nennspannung der Batterie entspricht, dann dreht sich in diesem Fall die Flussrichtung des Ladestroms um, wenn von der Ladung mit Konstantstrom auf eine Ladung mit Konstantspannung umgeschaltet wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Stromausgleichers;
Figur 2 eine Batteriegruppe mit mehreren Batterien und mehreren zugehörigen erfindungsgemäßen Stromausgleichern und die
Figur 3 ein Schaltungsschema für eine alternative Kombination von Batterien mit erfindungsgemäßen Stromausgleichern gemäß einer alternativen Ausführung
Ausführungsformen der Erfindung Die Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromaus- gleichers mit einem Batterieelement 1, einer Induktivität 2, einer Diode 3, einem Kompara- tor 4, einer Referenzspannungsquelle 5, einem Schaltelement 6 und einem Shunt- Widerstand 7. Die Spannung der Batteriezelle 1 liegt an dem nicht invertierten Eingang des Komparators 4 an, der die Batteriespannung mit der Referenzspannungsquelle 5 vergleicht. Liegt die Spannung des Batterieelements 1 unter der Referenzspannung, so leitet das Schaltelement 6 nicht. In diesem Fall wird das Batterieelement 1 über sich in Serie an das Batterieelement 1 anschließende Batterieelemente aufgeladen. Wenn der Kompara- tor 4 eine Spannung des Batterieelements 1 erfasst, die höher als die Nennspannung ist, die von der Referenzspannungsquelle 5 vorgegeben wird, dann steuert diese das Schaltelement 6 an, so dass dieses leitend wird. In diesem Fall fließt durch den Shunt- Widerstand 7 und durch das Schaltelement 6 ein Strom durch die Induktivität 2, die einen Induktivitätswert von L aufweist. Durch diesen Stromfluss fließt weniger Strom durch die Batteriezelle. Ferner wird gegebenenfalls in der Batteriezelle 1 vorliegende Ladung durch den Stromfluss durch die Induktivität 2 hindurch abgebaut. Liegt dieser Strom über einem oberen Grenzwert, so öffnet sich der Schalter 6 auf Grund der Potentialänderung, welche durch die Spannung hervorgerufen wird, die an dem Shunt-Widerstand abfällt. Auf Grund des geöffneten Schalters, der somit einen Stromfluss durch den Shunt-Widerstand verhin- dert, fließt Strom über die Diode 3 in die sich oben anschließende Batterie. Auf diese Weise wird überschüssige Ladung einer anderen Zelle zur Verfügung gestellt, die noch nicht ihre Ladeendspannung erreicht hat. Insbesondere die Diode 3 und deren Schaltung sieht vor, dass darauf folgende Batterieelemente nur geladen werden, wenn deren Spannung geringer als die Spannung des Batterieelements 1 ist.
In der Figur 1 führt der erfindungsgemäße erste Strompfad durch den Shunt-Widerstand 7 durch den als Stromlenkungselement 6 vorgesehenen MOSFET-Transistor und durch die Induktivität 2. Der Strom des Strompfads wird von der Spannung an dem Batteriean- schluss 10a, b hervorgerufen. Die an dem Batterieanschluss 10a, b abfallende Spannung ergibt sich durch das Batterieelement 1, dessen Innenwiderstand sowie durch den Strom, der von anderen Batterieelementen, die auf das Batterieelement 1 folgen, aufgeprägt wird. Aus Figur 1 ist zu erkennen, dass dieser Strom zur Aufladung der Induktivität L bzw. zum Aufbau des zugehörigen Magnetfeldes führt. Der zweite Strompfad ergibt sich bei geöffnetem Stromlenkungselement 6 durch die Diode 3 hindurch und führt zum Stromfluss zu einem zweiten Batterieanschluss IIa, b, der einem weiteren Batterieelement zugeordnet ist. Ist der zweite Strompfad aktiv, so pumpt die Induktivität 2 den darin gespeicherten Strom über die Diode 3, die in Flussrichtung geschaltet ist, zum nächsten Batterieanschluss IIa, b. Während die Induktivität bei aktivem ersten Strompfad dem Batterieelement 1 und der zugehörigen Potentialstufe zugeordnet ist, entleert sich die Induktivität 2 über den zweiten Strompfad, d. h. über die Diode 3 in die darauf folgende Batterie, die der nächsthöheren Potentialstufe zugeordnet ist. Mit anderen Worten nimmt die Induktivität, die in Figur 1 als Pufferspeicher vorgesehen ist, den überschüssigen Strom aus einer ersten Potentialstufe und entlädt diese Energie in die nächste Potentialstufe.
In der Figur 1 ist das Batterieelement ein Li-Ionen-Element, die Induktivität wird beispielsweise als Ringkerndrossel mit hohem Induktivitätswert und die Diode 3 als Hochleistungs- diode mit geringer Durchlassspannung vorgesehen. Vorzugsweise ist die Diode 3 eine Schottky- Diode. Der Shunt-Widerstand 7 ist vorzugsweise derart vorgesehen, dass bei Überschreiten einer durch den Widerstandswert vorgegebenen Schwellspannung der Stromfluss durch das Schaltelement 7 entsprechend unterbunden wird. Der Schwellwert ist ferner durch die Eigenschaften des Stromlenkungselements 6 bestimmt, das als MOSFET-Transistor vorgesehen sein kann. Der Vergleicher 4 kann als Operationsverstärker vorgesehen sein. Die Referenzspannungsquelle ist vorzugsweise eine Zener- Diode, die in Sperrrichtung über einen bestimmten Vorwiderstand, in der Figur 1 als Stromquelle dargestellt, vorgespannt wird. Der Verknüpfungspunkt zwischen Vorwiderstand und Zener-Diode dient als Potentialreferenz für den invertierten Eingang des Opera- tionsverstärkers 4. Die Induktivität 2 kann intern, zusammen mit der Diode, dem Kompara- tor 4, der Referenzspannungsquelle 5, dem Stromlenkungselement 6 und dem Shunt- Widerstand 7 vorgesehen sein, oder kann extern hierzu in Form von Anschlussklemmen an diese Schaltung angeschlossen sein. Ferner ist die gesamte Stromausgleicherschal- tung über einen Batterieanschluss IIa, b mit einer zugehörigen Batterie 1 verbunden. Ferner wird der Operationsverstärker 4 vorzugsweise mit einer externen Versorgungs- spannungsquelle versorgt, deren Masse mit dem Masseanschluss der Batterie- Reihenschaltung verbunden ist. Die in Figur 1 dargestellte Schaltung dient zum Ausgleichen des Ladestroms des ersten Batterieelements, dessen Minuspol die Masse der Batteriereihenschaltung bildet. Die Figur 2 zeigt eine Batteriengruppe von N Batterien, von denen wiederum vier dargestellt sind. Jedes Batterieelement ist an einem zugehörigen erfindungsgemäßen Stromausgleicher angeschlossen. Die Stromausgleicher sind, mit Ausnahme der äußersten Schaltungen, identisch und miteinander in einer sich wiederholenden Weise verbunden. Die Batterieelemente 101.1-101.4 sind über Batterieanschlüsse 110.1a, b bis 110.4a, b mit jeweiligen zugehörigen Stromausgleichern verbunden. Während die oberste Schaltung, deren Batterieelement direkt an den Pluspol des Gruppenanschlusses U+ angrenzt, einen an den Pluspol grenzenden Shunt-Widerstand aufweist, und dessen Diode direkt an die Masse des Gruppenanschlusses angeschlossen ist, um überschüssige Ladung auf alle Elemente zu verteilen, weisen die weiteren Stromausgleicher 101.2-101.4 die in Figur 1 dargestellte Schaltungsart auf, um der Batterie über die Induktivität und die Diode einen Ladestrom zu liefern, der in der nächst höheren Potentialstufe angeschlossen ist. Es ist zu bemerken, dass in den Stromausgleichern der Batterien 101.2-101.4 die Diode die jeweils darunterliegende Stromausgleicher-Schaltung mit dem Pluspol der Batterie verbindet, die an die darüberliegende Potentialstufe angeschlossen ist. Folglich weist die Schaltung des untersten Batterieelements 101.4, das direkt an die Masse des Gruppenanschlusses angeschlossen ist, keine Anzapfung auf, in die Strom von einem hinsichtlich des Potentials darunterliegenden Stromausgleicher bei Überladung bzw. bei Unterladung des Batterie- elements 101.4 injiziert wird. Die Batteriegruppe der Figur 2 umfasst ferner eine Stromver- sorgungs- und Steuerschaltung 120, die an den Gruppenanschluss der Batteriegruppe angeschlossen ist und für jeden Stromausgleicher einen Ausgang aufweist, mit dem der Komparator des jeweiligen Stromausgleichers mit der zugehörigen Spannung versorgt wird. Die Masse des jeweiligen Komparators bildet der Minuspol der zugehörigen Batterie. Ferner kann mit dieser Stromversorgung des Komparators oder mit einer weiteren Stromversorgung die Referenzspannungsquelle mit Strom versorgt werden, falls diese eine aktive Stromversorgung erfordert.
Die Versorgungs- und Steuerspannung umfasst ferner eine Weckschaltung mit einem Weckeingang, mit dem sich die Versorgungsspannungen der jeweiligen Komparatoren bzw. der jeweilige Stromausgleicher aktivieren lässt. Ferner umfasst die Versorgungs- und Steuerschaltung 120 eine Diagnoseeinheit, die den Status der einzelnen Stromausgleicher ermittelt, beispielsweise durch Messen des Stroms des jeweiligen Versorgungsausgangs oder durch jeweilige Rückleitungen. Die Diagnoseeinheit sieht entsprechende Informatio- nen über den Status der Stromausgleicher mittels eines Signals über den Diagnoseausgang der Versorgungs- und Steuerschaltung 120 vor. Der negative Anschluss des Gruppenanschlusses ist nicht notwendigerweise auf Masse gelegt, sondern kann auch als negative Spannung um Minus vorgesehen sein, um eine symmetrische Energieversorgung mittels des Gruppenanschlusses vorzusehen.
Figur 3 zeigt ein Schaltschema einer alternativen Ausführung, die komplementär zur Ausführung der Figuren 1 und 2 ist. In Figur 3 sind drei Batterien 201a-c seriell miteinander verbunden. Zwischen zwei benachbarten, seriell verbundenen Batterieelementen ist ein Stromausgleicher angeschlossen, der aus dem Pufferspeicher 202a, 202b, 202c und dem Stromlenkungselement 220a, b, c besteht. Der als Kapazität ausgeführte Pufferspeicher wird, wenn das Stromlenkungselement 220a auf der Schalterstellung 2 ist, mittels der Spannung aufgeladen, die an der zugehörigen Batterie 201a anliegt. Dies gilt entsprechend für die Stromlenkungselemente 220b und c sowie für die Batterien 201 b und c, wenn die entsprechende Schalterstellung vorliegt. Diese Schalterstellung wird gewählt, wenn der Ist- Batterieladezustand zu hoch ist, d. h. wenn die zugehörige Batterie 201a-c eine zu hohe Spannung aufweist. Nach einer gewissen Zeitdauer, oder, wenn die Kapazität ausreichend geladen ist, wird das Stromlenkungselement 220a in die Schalterstellung 1 gebracht, um die Überspannung an das darauffolgende Element 201b zu übertragen. Ein überhöhter Ist- Batterieladezustand wird beispielsweise durch Messen der Spannung, die an der Kapazität 202a, b, c anliegt, ermittelt. Zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ladezuständen zwischen den Batterien 201a-201c können die als Umschalter ausgeführten Stromlenkungselemente 220a, b, c wiederholt umgeschaltet werden, um so die Spannung unter den Batterien zu vereinheitlichen. Die Umschalter 220a, b, c sind nur schematisch dargestellt und können ähnlich wie die Schaltungen der Figuren 1 und 2 vorgesehen sein, d. h. mittels eines Vergleichers, beispielsweise eines Operationsverstärkers, der an eine Referenzspannungsquelle angeschlossen ist, und der gemäß dem Auswertungsergebnis eine MOSFET-Transistoreinheit ansteuert, die die Schalterstellung 1 bzw. 2 realisiert.
Die der obersten Potentialebene zugeordnete Batterie weist einen Minuspol (-) auf, der mit dem Stromlenkungselement verbunden ist, das ebenfalls der obersten Potentialebene zugeordnet ist. In der Schaltstellung 1 des Stromlenkungselements, das der obersten Potentialebene zugeordnet ist, ist der Kondensator parallel mit der Batterie der obersten Po- tentialebene verbunden. Das Stromlenkungselement der obersten Potentialebene ist entsprechend mit dem Pluspol des Gesamt- Reihenschaltung der Batterien verbunden.
An den Stellen A und A' können Reihenwiderstände eingefügt sein, die den Stromfluss von dem jeweiligen Kondensator 202a bzw. 202b zur jeweils folgenden Batterie 201 b, c hin begrenzt, wenn die Stromlenkungselemente in der Schalterstellung 1 sind. In gleicher Weise können derartige Begrenzungswiderstände direkt zwischen Kondensator bzw. Akkumulator und Schaltelement 202a, b, c in Reihe geschaltet sein. Ferner können Begrenzungswiderstände in den jeweiligen Verbindungen zwischen vorgehender Batterie und Kondensator als Reihenwiderstand eingefügt sein. In einer Ausführungsform sind diese Schaltungsvarianten miteinander kombiniert. Ferner kann bei der Auslegung dieser Reihen-Begrenzungswiderstände der Innenwiderstand der Kapazität, des Akkumulators und/oder der Batterie berücksichtigt werden.
Die Stromlenkungselemente arbeiten als Umschalter, die paarig angeordnete Umschaltvorrichtungen umfassen, die können in einer bestimmten Ausführungsform gemeinsam betätigt werden und hinsichtlich ihrer Schaltstellung synchronisiert sind. Jedes Paar Umschaltvorrichtungen verbindet einen zugehörigen Kondensator parallel mit einer ersten Batterie oder Batteriegruppe in einer ersten Schaltstellung (bsp. 1) und verbindet den zu- gehörigen Kondensator parallel mit einer zweiten Batterie oder Batteriegruppe in einer zweiten Schaltstellung (bsp. 2). Da die Batterien bzw. Batteriegruppen vorzugsweise verschiedenen Potentialebenen zugehören, überträgt der Kondensator die Energie über die Potentialebenen hinweg. Vorzugsweise sind die Stromlenkungselemente gruppenweise oder vollständig miteinander synchronisiert und weisen immer die gleiche Schaltstellung auf. Die Stromlenkungselemente oder Umschaltvorrichtungen können als Leistungshalbleiter, beispielsweise in Kombination mit Dioden, vorgesehen sein, und/oder können als Relais vorgesehen sein. Vorzugsweise wird die Schaltstellung jedes einzelnen Stromlenkungselements durch einen Vergleicher oder eine andere Vergleich- und Steuerschaltung angesteuert, die einen Spannungsunterschied zwischen den zugehörigen beiden Batterien erfasst und im Falle eines Mindestunterschieds der Ladung und/oder der Spannung zwischen Batterien oder Batteriegruppen hin- und her schaltet, so dass das zugehörige Pufferelement wechselweise den beiden Batterien oder Batteriegruppen verbunden ist. Dadurch wird Energie über Potentialgrenzen hinweg ausgetauscht, um den Unterschied zu verringern. Die Kapazität kann ein unipolarer oder bipolarer Kondensator sein, beispielsweise ein E- lektrolytkondensator oder ein Gold-Cap. Ferner kann als Pufferspeicher auch ein Akkumulator verwendet werden, der an die Stelle der Kapazität tritt, beispielsweise ein Akkumula- tor mit einer Kapazität, die deutlich kleiner als die Kapazität der Batterien ist, beispielsweise eine Kapazität von weniger als 10 % der Batteriekapazität. Der Kondensator kann mit einem Aufwärts-Spannungswandler verbunden sein, der eingerichtet ist, die Spannung des Kondensators oder des Akkumulators auf eine Spannung zu transformieren, die einen höheren und/oder steuerbaren Stromfluss vom Kondensator oder Akkumulator zur aufzu- ladenden Batterie hin vorsieht.
Ein Pufferelement kann einer Energie übertragenden Verbindung zwischen zwei benachbarten Batterien zugeordnet sein, die von den jeweiligen Schaltelementen gesteuert wird. In gleicher Weise kann ein Pufferelement mehr als zwei Batterien zugeordnet sein, bei- spielsweise kann nur ein Pufferelement einer Vielzahl von Batterien zugeordnet sein, wobei ein sich aus den Figuren direkt ergebendes Schaltnetzwerk die jeweilige Verbindung herstellt, um entweder das Pufferelement an einer Batterie zu laden, oder das Pufferelement an einer Batterie zu entladen. Ein Pufferelement kann auf diese Weise mehr als zwei Batterien zugeordnet sein, wobei vorzugsweise das Pufferelement immer Energie aus genau einer Batterie entnimmt und an genau eine Batterie abgibt.
Der erfindungsgemäße Stromausgleicher, der vorzugsweise auch als Ladungsausgleicher arbeitet, kann im Allgemeinen während des Ladens von Batterien verwendet werden, oder auch außerhalb von Ladevorgängen, wenn unterschiedliche Lastzustände auftreten, bei- spielsweise nach signifikanten Entladevorgängen. Sollen, beispielsweise nach signifikanten Entladevorgängen die Batterien auf einen identischen, durchschnittlichen Batterieladezustand gebracht werden, der nicht bei einem Ladezustand von 100 % liegt, so wird die Referenzspannung vorzugsweise diesem zu ermittelnden Durchschnittswert angepasst.
Ferner kann der erfindungsgemäße Stromausgleicher und das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, wenn ein Ladevorgang abgeschlossen ist, während dessen jedoch keine vollständige Homogenisierung der Ladezustände der Batterien erreicht wurde. Ferner kann die Schaltung mit Ausnahme der Induktivitäten in einen ASIC integriert werden.
Ferner wird vorzugsweise die Sättigungsspannung des Transistors gemessen, anstatt den Strom an Hand eines Shunt-Widerstands zu messen. Die Sättigungsspannung des Transistors, der als Schaltelement dient, ist proportional zum Strom durch den Transistor, der gemessen werden soll, und steigt mit der Temperatur an. Hierdurch wird eine inhärente Übertemperatursicherung des Transistors bzw. des ASICs erreicht, da der Transistor vorteilhafterweise im ASIC integriert ist und somit alle Bauteile des ASICs die gleiche Tempe- ratur aufweisen. Anstatt der Messung des Ist-Batterieladezustands kann auch eine reine Zeitsteuerung herangezogen werden, um die Zeitdauer zu bestimmen, in der der erste Strompfad aktiv ist, und nach der der zweite Strompfad aktiv wird. Auf Grund der bekannten Werte der Induktivität und der Ladeendspannung kann der Strom durch die Spule berechnet werden gemäß der Formel
I (D = (JiJ . t ,
L wobei U die Spannung der Batterie ist, L der Induktivitätswert der Spule und t die verstrichene Zeit. Anstatt daher zu warten, bis ein gemessener Strom einen bestimmten Wert erreicht hat, der einem bestimmten Pufferladezustand entspricht, kann das Stromlenkungselement auch mittels eines Timers angesteuert werden. Ein Timer lässt sich mittels eines RC-Glieds, eines LR-Glieds, eines integrierten Zählers mit Frequenzgeber oder mit ähnlichen bekannten Einrichtungen umsetzen. Durch die Wahl der Zeit des Timers ist somit die Höhe des Stroms durch den Transistor im Abschaltmoment bestimmt. Daher kann der erfindungsgemäße Stromausgleicher, falls dieser mit einem Timer ausgestattet ist, auch ohne Shunt- Widerstand bzw. ohne Messung der Sättigungsspannung zur Ermittlung des Pufferladezustands vorgesehen werden. Ferner kann die Sättigungsspannung des als Stromlenkungselement vorgesehenen Transistors zur Erfassung der Temperatur des Transistors gemessen werden.
Im Allgemeinen wird während der Aufladezeit der Induktivität, d. h. während der erste Strompfad aktiv ist, dem Batterieelement die Energie 1A L • I2 entnommen und vorübergehend in Induktivität gespeichert. Nach dem Abschalten des Transistors 6 wird die Energie der Induktivität über die Diode auf ein darauffolgendes Batterieelement übertragen. In glei- cher Weise lässt sich die Schaltung durch Spiegelung auch derart modifizieren, dass die Energie auf ein Batterieelement übertragen wird, das hinsichtlich des Potentials tiefer liegt.
Vorzugsweise werden die Batterien und die erfindungsgemäßen Stromausgleicher derart miteinander verbunden, dass die einem voll geladenen Element entnommene Energie auf mehrere, nicht vollständig geladene Batterieelemente verteilt wird. Dadurch wird eine schnellere Symmetrierung der Batterieelemente bei geringerem Verlust erreicht. Hierzu wird beispielsweise die Energie, die einem Element entnommen wurde, auf alle im Potential höher liegenden Batterien verteilt, wenn deren Anzahl höher ist, als die Anzahl der hin- sichtlich des Potentials tiefer liegenden Elemente, d. h. der Batterien der darunterliegenden Potentialstufen. In gleicher Weise wird vorzugsweise die entnommene Symmetrie- rungsenergie auf die im Potential tiefer liegenden Batterien verteilt, wenn deren Anzahl höher als die Anzahl der darüberliegenden Batterien ist. Ferner kann die Temperatur der Batterieelemente berücksichtigt werden, so dass Batterien mit hohen Temperaturen ge- ringfügiger belastet werden, d. h. bei hohem Batterieladezustand weniger entladen werden, und bei geringerem Ladezustand weniger geladen werden.
Vorzugsweise werden die Schaltelemente von einer Steuereinrichtung derart angesteuert, dass sie wiederholt den Schaltzustand wechseln. Durch eine Vielzahl von Schaltvorgän- gen kann somit auch mit einem Pufferelement, das nur eine geringe Energiemenge speichern kann, eine hohe Energiemenge von einer Batterie zu einer oder zu mehreren weiteren Batterien übertragen werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung einen oder eine Vielzahl von Taktgeneratoren umfassen, deren Frequenz und/oder Tastverhältnis eingestellt werden kann. Eine Taktgenerator kann genau ein Schaltelement, eine Gruppe von Schaltelementen oder alle Schaltelemente ansteuern.
Ferner kann, falls eine Versorgungssteuerschaltung vorgesehen ist, diese die Stromaus- gleicherschaltungen nur aktivieren, wenn die Batterien geladen werden und gegebenenfalls für eine vorbestimmte Nachlaufzeit, die beispielsweise durch eine vorbestimmte Zeit- dauer oder durch einen vorgegebenen Symmetrierungswert vorgegeben ist. Der Sym- metrierungswert entspricht beispielsweise der Streuung der Ladezustände der Batterien.

Claims

Neben Li- Ionen- Batterien können auch andere wiederaufladbare Batterien verwendet werden, beispielsweise Ni-Metallhydrid-Akkumulatoren, Ni-Cd-Akkumulatoren, Bleiakkumula- toren und Ähnliches. Ansprüche
1. Stromausgleicher zum Ausgleichen von Ladeströmen in einer Batteriegruppe (101), wobei der Stromausgleicher umfasst: einen Vergleicher (4), ein Stromlenkungselement (6, 3), das mit Vergleicher (4) verbunden und von diesem gesteuert ist, einen Pufferspeicher (2) für elektrische Energie, einen ersten Strompfad und einen zweiten Strompfad, wobei der erste Strompfad den Pufferspeicher (2) über das Stromlenkungselement (6, 3) mit einem ersten Batterie- anschluss (110.4) verbindet und der zweite Strompfad den Pufferspeicher (2) über das Stromlenkungselement (2) mit einem zweiten Batterieanschluss (110.3) verbindet, und einen Batterie-Ladungsstandsensor, der den Vergleicher (4) mit einem Ist- Batterieladezustand versorgt, der an dem ersten Batterieanschluss (110.4) anliegt, wobei der Vergleicher (4) eingerichtet ist, den Ist- Batterieladezustand mit einem Soll-
Batterieladezustand zu vergleichen, und, wenn der Ist- Batterieladezustand über dem Soll- Batterieladezustand liegt, das Stromlenkungselement (6, 3) derart anzusteuern, dass das Stromlenkungselement (6, 3) den Pufferspeicher (2) mit dem ersten Batterieanschluss (110.4) verbindet, und danach den Pufferspeicher (2) mit dem zweiten Batterieanschluss (110.3) verbindet.
2. Stromausgleicher gemäß Anspruch 1, der ferner einen Puffer-Ladungsstandsensor umfasst, der den Vergleicher (4) mit einem Ist- Pufferladezustand versorgt, der in dem Pufferspeicher (2) vorliegt, wobei der Vergleicher (4) ferner eingerichtet ist, den Ist- Pufferladezustand mit einem Soll- Pufferladezustand zu vergleichen, und, wenn der Ist-
Pufferladezustand über dem Soll- Pufferladezustand liegt oder diesen erreicht hat, das Stromlenkungselement (6, 3) von dem Vergleicher (4) derart angesteuert wird, dass das Stromlenkungselement (6, 3) den Pufferspeicher (2) mit dem zweiten Batterieanschluss (110.3) verbindet.
3. Stromausgleicher gemäß Anspruch 1, wobei der Stromausgleicher als Ladestromaus- gleicher für die Batterie- Reihenschaltung (101.1 - 101.4) vorgesehen ist, der Pufferspeicher eine Induktivität (2) umfasst, der erste Batterieanschluss seriell mit den zwei- ten Batterieanschluss verknüpft ist, der Batterie-Ladungsstandsensor einen Abgriff einer Batteriespannung am ersten Batterieanschluss (10a, 10b) umfasst, der Ist- Batterieladezustand der Batteriespannung entspricht, der Soll- Batterieladezustand einer Nenn- Batteriespannung entspricht, der Ladestromausgleicher einen als Stromsensor ausgeführten Puffer-Ladungsstandsensor (7) umfasst, der den Vergleicher (4) mit einem als Ist- Induktionsstromwert ausgeführten Ist- Pufferladezustand versorgt und der Vergleicher (4) eingerichtet ist, den Ist- Induktionsstromwert mit einem als Nenn- Induktivitätsstrom ausgeführten Soll- Pufferladezustand zu vergleichen, oder wobei der Stromausgleicher als Ladestromausgleicher für die Batterie- Parallelschaltung (101.1 - 101.4) vorgesehen ist, der Pufferspeicher eine Kapazität umfasst, der erste Batterie- anschluss parallel mit den zweiten Batterieanschluss verknüpft ist, der Batterie-
Ladungsstandsensor einen Abgriff einer Batteriespannung am ersten Batterieanschluss umfasst, der Ist- Batterieladezustand der Batteriespannung entspricht, der Soll- Batterieladezustand einer Nenn- Batteriespannung entspricht, der Ladungsausgleicher einen als Abgriff einer an der Kapazität anliegenden Pufferspannung vorge- sehenen Puffer-Ladungsstandsensor umfasst, die den Vergleicher mit einem als Ist-
Kapazitätsspannung ausgeführten Ist- Pufferladezustand versorgt und der Vergleicher eingerichtet ist, die Ist- Kapazitätsspannung mit einem als Nenn- Kapazitätsspannung ausgeführten Soll- Pufferladezustand zu vergleichen.
4. Stromausgleicher gemäß Anspruch 1, wobei der erste Strompfad ein Strommesselement umfasst, das einteilig mit dem Stromlenkungselement ausgeführt ist, einen Shunt-Widerstand (7) umfasst, das mit diesem in Reihe geschaltet ist, oder das ein Sättigungsabgriff des Stromlenkelements ist, das als Transistor ausgeführt ist, dessen Sättigungsspannung an dem Sättigungsabgriff vorgesehen wird, und/oder der zweite Strompfad eine Diode (3) umfasst, deren Flussrichtung ausgehend vom Pufferspeicher (2) zum zweiten Batterieanschluss hin führt.
5. Stromausgleicher gemäß Anspruch 1, wobei der Vergleicher (4) einen ersten Kompa- rator umfasst, der den Ist- Batterieladezustand mit der von einer intern oder extern zum Komparator ausgeführten Referenzspannungsquelle (5) vorgesehenen Soll- Batterieladezustand vergleicht und als Ergebnis eine binäres Signal ausgibt, sowie einen zweiten Komparator (6, 7), der das Stromlenkungselement (6) umfasst, das als Transistor ausgeführt ist, der mit dem Pufferspeicher in Emitterschaltung angeschlos- sen ist, wobei somit das Stromlenkungselement den zweiten Komparator vorsieht.
6. Batteriegruppe mit mehreren aufladbaren miteinander verbundenen Batterien, wobei die Batteriegruppe für mindestens eine der Batterien einen zugeordneten Stromausgleicher nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, wobei der erste Batte- rieanschluss mit der mindestens einen Batterie verbunden ist, der zweite Batteriean- schluss mit einer weiteren der mehreren Batterien verbunden ist, die mehreren Batterien in Reihe oder parallel miteinander verbunden sind, und die Batteriegruppe mindestens einen Gruppenanschluss aufweist, der mit den mehreren aufladbaren Batterien verbunden ist.
7. Verfahren zum Ausgleichen von Ladeströmen zwischen einer ersten aufladbaren Batterie (101.4) einer Batteriegruppe und mindestens einer zweiten aufladbaren Batterie (101.3) der Batteriegruppe mit den Schritten: Leiten eines Ladestroms zur ersten Batterie; Erfassen des Ist-Batterieladezustands der ersten Batterie; Vergleichen des Ist- Batterieladezustands mit einem vorgegebenen Soll-Batterieladezustands; Leiten zumindest eines Teils des Ladestroms an einen Pufferspeicher (2), wenn der Ist- Batterieladezustand über dem Soll- Batterieladezustand liegt; und, nachdem zumindest ein Teil des Ladestroms an den Pufferspeicher (2) für eine Zeitdauer geleitet wurde, Leiten von Strom ausgehend von dem Pufferspeicher (2) an die zweite Batterie.
8. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst: Erfassen des Ist- Pufferladezustand des Pufferspeichers (2) und Vergleichen des Ist-Pufferladezustands mit einem vorgegebenen Soll- Pufferladezustand umfasst, wobei die Zeitdauer derart vorgesehen wird, dass der Schritt des Leitens von Strom ausgehend von dem Pufferspeicher (2) an die zweite Batterie (101.3) ausgeführt wird, wenn der Ist- Pufferladezustand den Soll-
Pufferladezustand übersteigt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Leiten zumindest eines Teils des Ladestroms an den Pufferspeicher (2) umfasst: Aufbauen eines elektrischen oder magnetischen Felds mittels des an den Pufferspeicher (2) geleiteten Stroms und das Leiten von Strom ausgehend von dem Pufferspeicher (2) umfasst: Abbauen des elektrischen bzw. magnetischen Felds zum Erzeugen von Strom, der an die zweite Batterie (101.3) geleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erfassen des Ist-Batterieladezustands der ersten Batterie (101.4) umfasst: Messen der an der ersten Batterie (101.4) anliegenden Spannung, Messen des an die erste Batterie (101.4) fließenden Ladestroms, oder Erfassen der Flussrichtung des an die erste Batterie (101.4) fließenden Ladestroms.
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