WO2012163661A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum betreiben einer anordnung von energiespeichern, insbesondere von batterien - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum betreiben einer anordnung von energiespeichern, insbesondere von batterien Download PDF

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batl
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Martin Mayer
Alexander Costa
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Ams AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/575—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00—Details of circuit arrangements for charging or discharging batteries or supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement and a method for operating an arrangement of energy storage devices, in particular of batteries.
  • power is usually provided by batteries or rechargeable batteries.
  • possible battery voltages are in different areas.
  • an electronic power management unit in the form of an integrated circuit which provides all the voltages and currents required for the system in the appropriate accuracy.
  • Switching converters or even linear voltage regulators are used for this purpose, with switching converters having the advantage of working with very good efficiency.
  • a circuit arrangement for operating an arrangement of energy stores, in particular of batteries comprises a voltage converter.
  • a switch assembly is provided which has a first terminal for connecting a first energy store and a second terminal for connecting a second energy store on ⁇ .
  • a selector is provided, which is connected to the first and second terminals.
  • first and second energy stores are connected to the first and second terminals.
  • the selector is set up to measure a first voltage at the first terminal and a second voltage at the second terminal.
  • the selector has suitable components, such as a comparator or logic, to compare the first and second voltages with each other or with a reference. Depending on this comparison, the selector controls the
  • the switch arrangement such that the first or second energy ⁇ memory or both are connected electrically conductively connected to the voltage converter.
  • the switch arrangement preferably comprises controllable, low-resistance switches.
  • two or more batteries can be used individually or simultaneously, so that the connected voltage converter can be operated with a high efficiency.
  • DC-DC converter The lower the difference between their input and output voltage, the more efficient the more efficient they are.
  • the first or second energy store is only used as a current source until it becomes more efficient as a result of the incoming discharge to switch to the respective other energy store.
  • the sum of first and second voltage is compared with a desired output voltage. The unloading of the two memories is thus alternately, in a sense as a balanced discharge.
  • the presented circuit arrangement can efficiently drive and supply voltage to both up and down converters.
  • a special buck-boost converter can be omitted, which makes the circuit particularly cost-effective.
  • the circuit arrangement can be operated in a serial and in a parallel operating mode.
  • the switch arrangement is controlled by the selector such that in the parallel operating mode alternately the first or the second energy store ⁇ electrically connected to the voltage converter. that is. In the serial operating mode, the switch arrangement connects the first and the second energy store in an electrically conductive manner to the voltage converter.
  • the selector is able to switch between serial and parallel modes of operation, choosing the most efficient configuration for operating the energy storage devices. Due to non-linear effects, high continuous load currents reduce the capacity of batteries. An operating alternately by means of the selector helps to avoid a continuous load, and also to use a ceremoniessef ⁇ fect (recovery) of the batteries. Batteries recover to some extent if they are not charged for a while.
  • the first or the second energy store is connected to the voltage converter.
  • the voltage is a measure of the discharge of the energy storage used. By using the higher of the voltages, unnecessary no-load voltages can be avoided and high efficiency of the voltage supply of the voltage converter can be ensured.
  • first or the second energy store may also be necessary to connect the first or the second energy store to the voltage converter as a function of the respectively smaller first or second voltage.
  • the selector controls the switch assembly in the serial mode of operation as long as the Sum of the first and second voltages is less than a threshold.
  • One possible threshold is the desired output voltage of the circuitry as provided by the voltage converter at an output. If the sum of the first and the second voltage is less than the desired output voltage is thus switched to the serial operating mode.
  • the selector is arranged to perform the measurement and comparison continuously or periodically. Due to the continuous or periodic monitoring of the two operating states, the batteries or energy storage are constantly monitored, so that always the most favorable ⁇ th configuration is selected. In this way, the selector is arranged to perform the measurement and comparison continuously or periodically. Due to the continuous or periodic monitoring of the two operating states, the batteries or energy storage are constantly monitored, so that always the most favorable ⁇ th configuration is selected. In this way, the
  • DC-DC converters are operated with particularly good efficiency. It is also possible to detect during monitoring whether an energy store is taken and to switch without interruption to the remaining energy store. The device will not be aborted and data will be retained. Furthermore, in this way the energy storage can be monitored for deep discharge and taken out of the circuit as needed.
  • the switch arrangement comprises a first, second and third switch.
  • the switches are preferably as integrated low-resistance switches or
  • the switches can be high impedance to avoid a short circuit.
  • the first switch couples the first terminal for Connecting ⁇ SEN of the first energy storage device to the second terminal for connecting the second energy storage device. Further, the ers ⁇ th switch is connected to the voltage converter.
  • the second switch couples the second terminal for connecting the second energy store to a ground potential.
  • the drit ⁇ te switch couples a third port for connecting the second energy storage device to the first terminal for at ⁇ close the first energy store and to the first switch.
  • the first terminal of the first energy storage means ei ⁇ nes first pole is connected.
  • the second energy store can be connected by means of its first pole.
  • a second pole of the second energy store can be connected to the third connection.
  • the circuit arrangement comprises a fourth switch, wherein the fourth switch couples the first switch to the second connection for connecting the second energy store and is connected to the voltage converter.
  • the first energy store is rather only means of which the first pole of the switch assembly and by a second pole sepotential connectable only with the Mas ⁇ .
  • the second energy store can be connected to the switch arrangement by means of its first and second poles.
  • the selector comprises a comparator circuit.
  • the comparator circuit is set up to control the switch arrangement such that switching of the switch arrangement takes place according to a hysteresis.
  • the voltage converter comprises a boost converter or a down converter.
  • a boost converter or a buck wall ⁇ toddlers does not change the presented basic principle. Adjustments in comparison of the first and second voltage are necessary. Thus, in the parallel operating mode with respective higher or lower voltage of the respective energy storage is selected. Likewise, is changed, for example, in the serial Be ⁇ operating mode when the sum of first and second voltage is greater than the threshold.
  • a first voltage is initially connected to a first terminal for connecting a first energy store and a second store. voltage at a second terminal for connecting a second energy storage measured. The first voltage is compared with the second voltage.
  • the first and / or second energy store is selected by connecting the first or second energy store or both together in an electrically conductive manner to a voltage converter for its voltage supply.
  • two or more batteries can be used individually or simultaneously, so that the connected voltage converter can be operated with a high efficiency.
  • DC-DC converters usually work more efficiently the smaller the difference between their input and output voltages.
  • Energy storage is only used as a power source until it becomes more efficient due to the incoming discharge to switch to the other energy storage.
  • the comparison takes place, for example, as a sum of first and second voltage with a desired output voltage.
  • the discharge of the two energy storage thus takes place alternately, so that this type balanced discharge of life ⁇ life and capacity of energy storage can benefit. Furthermore, it is possible to connect both energy stores together in an electrically conductive manner with the voltage converter and thus to further improve the efficiency of the voltage converter.
  • the comparison of the first and second voltage can also take into account a possible depth discharge of one of the energy storage and counteract this.
  • the presented method can control both upward as downward ⁇ converter in an efficient way and isolated from the voltage ensure supply.
  • a special and expensive buck-boost converter can be omitted.
  • a serial operating mode or a parallel operating mode is activated as a function of the comparison of the first voltage with the second voltage.
  • selecting the first or second power ⁇ memory is such that in the parallel mode of operation changes, the first or the second energy accumulator is electrically connected to the voltage converter.
  • the first and second Ener ⁇ gie are together electrically conductively connected to the voltage converter.
  • the system switches between the serial and parallel operating modes and, in so doing, selects the most efficient configuration for operating the energy stores. It is known that due to non-linear effects Anlagenmens- high continuous load currents as in batteries, the capacity verrin ⁇ like. An alternating operation helps to avoid a long-term load and also to use a recovery effect (recovery) of the energy storage. Batteries recover in a sense, if they are not charged for a while.
  • the first or the second energy store is connected to the voltage converter in the parallel operating mode as a function of the respective higher or lower of the first or the second voltage.
  • the serial mode of operation is activated when the sum of the first and second voltages is less than or greater than one
  • Threshold is.
  • the measuring and comparing is performed continuously or periodically.
  • the batteries or energy storage are constantly monitored, so that always the most favorable ⁇ th configuration is selected. In this way, the batteries or energy storage are constantly monitored, so that always the most favorable ⁇ th configuration is selected. In this way, the batteries or energy storage are constantly monitored, so that always the most favorable ⁇ th configuration is selected. In this way, the batteries or energy storage are constantly monitored, so that always the most favorable ⁇ th configuration is selected. In this way, the batteries or energy storage are constantly monitored, so that always the most favorable ⁇ th configuration is selected. In this way, the
  • DC-DC converter are operated with high efficiency. It is also possible to detect in the monitoring whether an energy storage is removed and to switch without interruption to the remaining energy storage. The device will not be aborted and data will be retained. Furthermore, in this way the energy storage can be monitored for deep discharge and demand can be taken out of the circuit.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a circuit arrangement for operating an arrangement of energy stores according to the proposed principle
  • Figure 2 shows another exemplary embodiment of a
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a scarf ⁇ processing arrangement for operating an arrangement of energy storage, in this case of batteries.
  • the circuitry is preferably integrated, has a DC converter ⁇ DCDC and a switch assembly comprising an ERS th, second and third switches SW1, SW2, SW3. Furthermore, a selector Slct is provided which is set up to control the circuit arrangement or the first, second and third switches SW1, SW2, SW3.
  • the DC-DC converter DCDC is coupled by means of the first switch SW1 to a first connection for an energy store N_VBatl.
  • the DC-DC converter DCDC is connected to a second terminal for connecting a second energy store N_VBat2P.
  • the second switch SW2 couples a ground potential GND to a third terminal for connecting the second energy storage N_VBat2N.
  • This third connection N_VBat2N is also by means of the third
  • Switch SW3 connected to the first switch SW1 and the first terminal N_VBatl.
  • the selector Slct is connected to voltage measurement lines to the terminals N_VBatl, N_VBat2N, N_VBat2P and has suitable means such as comparators or measurement logic to measure voltages at the terminals N_VBatl, N_VBat2N, N_VBat2P.
  • the batteries Batl, Bat2 are connected by means of their poles to the circuit arrangement, wherein the first battery Batl only with a first pole Pia at the first connection
  • N_VBatl is connected. With a second pole Plb, the first battery Batl is connected to the ground potential GND.
  • the second battery Bat2 is connected both to a first and to a second pole P2a, P2b on the second or third terminal N_VBat2P, N_VBat2N to the circuit arrangement.
  • the DC-DC converter DCDC is executed in this example in the manner of an upward or boost converter and ver ⁇ switches.
  • the DC-DC converter DCDC a switchable inductor LX and a capacitance C, which are sorted ⁇ wells connected to a power supply input VDD, the inductor LX is coupled to an output VOUT of the Wegungsan- order.
  • the DC-DC converter DCDC is connected to the output VOUT by means of a resistive loop FB.
  • the DC-DC converter DCDC controls switches of the switchable inductance LX and thus adjusts an output voltage at the output VOUT as a function of a supply voltage VDD.
  • the circuit ensures a power supply in this case too, and data from a connected device are retained. Furthermore, the selector is set up to monitor the batteries Batl, Bat2 for deep discharge and to remove it from the circuit when necessary.
  • FIG. 2 shows a further circuit arrangement according to the proposed principle.
  • a fourth switch SW4 is provided in addition to the first to third switches SW1, SW2, SW3 shown in FIG. 1, a fourth switch SW4 is provided. This couples the DC-DC converter DCDC to the second terminal N_VBAT2P for a second energy store. With this configuration, it is easier to monitor the state of the first and second energy storage and unfavorable voltage potentials to vermei ⁇ . Compared to the solution of FIG. 1, a little more area is required and the efficiency is somewhat reduced.
  • DC-DC converter DCDC may employ a buck or buck converter instead of a buck or boost converter. This is especially true for applications with voltage ranges of
  • VOUT ⁇ VBat on new batteries and VOUT ⁇ 2VBat on discharged batteries As long as the batteries are new, they can be used individually to operate in series in serially operating mode.
  • the circuit arrangement is also operated in a serial and parallel operating mode ser, par. Possible scarf ⁇ ter einen the switches SW1, SW2, SW3, SW4 in these areas operating modes are shown in the table in Figure 2.
  • the voltage curve that occurs in each case is explained in conjunction with FIGS . 3 to 7.
  • Figures 3 to 7 show, respectively, characteristic clamping voltage ⁇ gradients of the circuits of Figures 1 and 2 according to the proposed principle.
  • FIG. 3 shows an exemplary voltage profile in the parallel operating mode par the circuit arrangement according to FIG. 1 or 2. Shown in each case are a graph for the first voltage Vbatl, the second voltage Vbat2 and the supply voltage VDD of the DC-DC converter DCDC are plotted against the time t. In addition, corresponding first and second currents Ibatl, Ibat2 are shown.
  • the selector Slct allows a balanced discharge by connecting the two batteries Batl, Bat2 alternately to the DC-DC converter DCDC by means of the switches SW1 to SW3 and SW4, respectively. This benefits in particular the life of the batteries. As soon as possible, both batteries are connected in series, further improving the efficiency of the boost converter.
  • the selector Slct switched on for ⁇ the first to third switches SWl, SW2, SW3 or SW4 in the fourth Schlater serial and parallel operating state ser, par, both operating states are fortlau ⁇ monitored continually by the selector Slct. Due to the ⁇ ser monitoring, it is possible to choose the most favorable Configu ⁇ ration of the batteries.
  • the selector Slct can have a comparator circuit which is set up to control the switches SW1, SW2, S3 and / or SW4 in such a manner that switching of the switch arrangement takes place in accordance with a hysteresis.
  • Figure 4 shows to an exemplary voltage curve for symmetrical
  • Figure 5 is an asymmetric HystE ⁇ rese Vhystl, Vhyst2.
  • the voltage on switching to one of the batteries Batl, Bat2 often breaks slightly. It can come to a constant back and forth between the batteries Batl, Bat2. This is prevented by the first and second voltage Vbatl, Vbat2 a suitable Hysteresebetrag Vhystl, Vhyst2 aufschl ⁇ and switched only taking into account these amounts. This can be done symmetrically or asymmetrically by varying the respective amounts for toggling.
  • the switch SW1, SW2, SW3, SW4 perform high impedance.
  • the capacitor of the DC-DC converter on the supply VDD ⁇ input causes the supply voltage drops during the switching between the batteries Batl, Bat2 not for a short time at low values.
  • it serves as the input capacitance of the DC-DC converter and is dimensioned accordingly.
  • N_Vbatl N_Vbat2N
  • N_Vbat2P Battalion, Bat2 at the inputs N_Vbatl, N_Vbat2N, N_Vbat2P can also help to avoid short-term disturbances such as voltage ⁇ pointed at the inputs that could lead to unwanted switching.
  • FIG. 6 shows an exemplary voltage profile in the serial and parallel operating modes, according to a circuit arrangement according to FIGS. 1 or 2.
  • the graphs each show a graph for the first voltage Vbatl and the second voltage Vbat2 as well as the supply voltage VDD of the DC-DC converter DCDC apply against time t.
  • the respective left part shows the parallel operating mode par and the alternating switching to one of the two batteries Batl, Bat2 depending on their respective state of charge.
  • Vthr ⁇ it is sufficient, in the serial mode of operation ser maral ⁇ tet.
  • the batteries Batl, Bat2 are connected in series in the serial operating mode, so that the sum of the first and second voltages Vbatl + Vbat2 is applied to the DC-DC converter DCDC to be led.
  • a threshold value it is advisable in this case to compare the sum Vbatl + Vbat2 with the desired output voltage Vout. If the condition for the switching on of the serial operating mode is reached ser, then no longer connected between the batteries Batl, Bat2 and the supply voltage VDD results from the series connection of both batteries. This is indicated in the lower graph as a jump.
  • the series connection is the most efficient configuration for operating the DC-DC converter DCDC.
  • FIG. 7 shows an exemplary voltage curve of a
  • the third operating mode 100 may be provided. Utilizing a suitable tolerance of the output voltage Vout of the boost converter latter in the third Be ⁇ operation mode 100, or so-called 100% mode is switched. It applies
  • Voutmin ⁇ Vbatl + Vbat2 ⁇ Voutmax Voutmin ⁇ Vbatl + Vbat2 ⁇ Voutmax, where Voutmin, Voutmax indicate a lower and upper tolerance limit for the output voltage Vout.
  • the procedure of the selector Slct changes with respect to the comparison of the first and second voltage Vbatl, Vbat2, but not the proposed basic principle.
  • the serial mode ser we switched to the serial mode ser and used the remaining charge in the two batteries Vbatl + Vbat2.

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Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, umfasst einen Spannungswandler (DCDC), eine Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) und einen Selektor (Slct). Die Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) weist einen ersten Anschluss (N_VBat1) zum Anschließen eines ersten Energiespeichers (Bat1) und einen zweiten Anschluss (N_VBat2N, N_VBatP) zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers (Bat2) auf und zur Spannungsversorgung mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden. Der Selektor (Slct) ist eingerichtet zum Messen einer ersten Spannung (Vbat1) am ersten Anschluss (N_VBat1) und zum Messen einer zweiten Spannung (Vbat2) am zweiten Anschluss (N_VBat2N, N_VBatP). In Abhängigkeit eines Vergleichs der ersten und zweiten Spannung (Vbat1, VBat2) steuert der Selektor (Slct) die Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) derart, dass der erste oder zweite Energiespeicher (Bat1, Bat2) oder beide gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden sind. Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern beschrieben.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien. In mobilen Geräten wird die Stromversorgung meist durch Batterien oder wieder aufladbare Batterien gewährleistet. Abhängig von der Bauform liegen mögliche Batteriespannungen in unterschiedlichen Bereichen. Es treten dabei abhängig vom Ladezustand und der Belastung erhebliche Schwankungen der Span- nung auf. In vielen mobilen Geräten gibt es daher eine elektronische Power-Management-Einheit in Form einer integrierten Schaltung, die alle für das System erforderlichen Spannungen und Ströme in der passenden Genauigkeit zur Verfügung stellt. Dazu werden beispielsweise Schaltwandler oder auch lineare Spannungsregler verwendet, wobei Schaltwandler den Vorteil haben, mit sehr guter Effizienz zu arbeiten. Grundsätzlich gibt es Wandler, deren Ausgangsspannungen höher als die Batteriespannung sind. Diese werden Aufwärtswandler oder Boost- wandler genannt. Es gibt aber auch solche, deren Ausgangs- Spannung kleiner als die Eingangsspannung ist, die entsprechend Abwärtswandler oder Buckwandler genannt werden.
Schließlich gibt es Schaltwandler, die beide genannten Bereiche abzudecken vermögen, so genannte Buck-Boost-Wandler . Diese unterschiedlichen Typen von Gleichspannungswandlern erlau- ben eine hohe Flexibilität bei der Auswahl der verwendeten Batterietypen . Entscheidend für die Akzeptanz eines mobilen Systems beim Kunden ist die Betriebszeit, bis zu der das System betrieben werden kann ohne dass Batterien getauscht oder aufgeladen werden müssen. Diese Betriebszeit resultiert aus der Kapazi- tat der Batterie, der Gesamteffizienz der nachfolgenden Spannungsaufbereitung, sowie dem Stromverbrauch des Gerätes selbst. Der Stromverbrauch ist durch die Applikation selbst bestimmt und die Batteriekapazität in der Regel technologisch beschränkt. Eine oftmals gewünschte Vergrößerung der Gesamt- effizienz des Systems ist somit in der Regel durch eine effi¬ ziente Versorgungsaufbereitung zu erreichen.
Ferner kann es zu unerwünschten Situationen kommen, wenn die Batterien getauscht werden und dabei das Gerät kurzfristig außer Betrieb gehen muss. Hinzu kommt die Möglichkeit, dass bei diesem Vorgang Daten verlorengehen können. Ein anderes Problem, dass in mobilen Applikationen immer wieder auftritt, entsteht, wenn etwa eine konstante Ausgangsspannung von zum Beispiel 3,0 V gefordert ist und die Versorgung aus zwei Bat- terien mit nominal 1,5 V erfolgen soll. Falls diese Batterien in Serie geschaltet werden und noch voll geladen sind, können LeerlaufSpannungen bis zu etwa 3,5 V auftreten, während im Laufe der Entladung die Spannung immer weiter absinkt, bis bei etwa 1,8 V die Kapazität der Batterien fast vollständig erschöpft ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, bereitzustel- len, das eine höhere Gesamteffizienz zur Verfügung stellt. Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, einen Spannungswandler. Ferner ist eine Schalteranordnung vorgesehen, die einen ersten Anschluss zum Anschließen eines ersten Energiespeichers und einen zweiten An- schluss zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers auf¬ weist. Zur Stromversorgung ist der Spannungswandler mit der Schalteranordnung verbunden. Des Weiteren ist ein Selektor vorgesehen, der mit dem ersten und zweiten Anschluss verbunden ist.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung sind am ersten und zweiten Anschluss ein erster und zweiter Energiespeicher, bevorzugt Batterien, angeschlossen. Der Selektor ist dabei eingerichtet, am ersten Anschluss eine erste Spannung und am zweiten Anschluss eine zweite Spannung zu messen. Weiterhin verfügt der Selektor über geeignete Komponenten, wie beispielsweise einen Komparator oder eine Logik, um die erste und zweite Spannung miteinander oder einer Referenz zu vergleichen. In Abhängigkeit dieses Vergleichs steuert der Selektor die
Schalteranordnung derart, dass der erste oder zweite Energie¬ speicher oder beide gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbunden werden. Die Schalteranordnung umfasst dazu bevorzugt steuerbare, niederohmige Schalter. Mit der vorgestellten Schaltungsanordnung können zwei oder mehrere Batterien einzeln oder gleichzeitig verwendet werden, sodass der angeschlossene Spannungswandler mit einer hohen Effizienz betrieben werden kann. Gleichspannungswandler ar- beiten meist umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen ihrer Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Der erste oder zweite Energiespeicher wird nur solange als Stromquelle verwendet, bis es infolge der eintretenden Entladung effi- zienter wird, auf den jeweils anderen Energiespeicher umzuschalten. Dazu wird beispielsweise die Summe aus erster und zweiter Spannung mit einer gewünschten Ausgangsspannung verglichen. Das Entladen der beiden Speicher erfolgt somit wechselweise, gewissermaßen als balancierte Entladung. Dies kommt der Lebensdauer der Batterien zugute. Weiterhin ist es möglich, beide Energiespeicher gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler zu verbinden und so die Effizienz des Spannungswandlers weiter zu verbessern. Der Vergleich der ersten und zweiten Spannung kann zudem auch eine mögliche Tiefenentladung eines der Energiespeicher berücksichtigen und dieser entgegen wirken.
Die vorgestellte Schaltungsanordnung kann sowohl Aufwärts- wie Abwärtswandler in effizienter Weise ansteuern und mit Spannung versorgen. Ein spezieller Buck-Boost-Wandler kann entfallen, was die Schaltungsanordnung besonders kostengünstig macht.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltungsanord- nung in einem seriellen und in einem parallelen Betriebsmodus betrieben werden.
Die Steuerung zwischen diesen beiden Betriebsmodi erfolgt mittels des Selektors und in Abhängigkeit des Vergleichs der ersten und der zweiten Spannung. Die Schalteranordnung wird dabei durch den Selektor derart gesteuert, dass im parallelen Betriebsmodus wechselweise der erste oder der zweite Energie¬ speicher elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbun- den ist. Im seriellen Betriebsmodus verbindet die Schalteran¬ ordnung den ersten und den zweiten Energiespeicher elektrisch leitend mit dem Spannungswandler. Mit anderen Worten ist der Selektor in der Lage zwischen seriellem und parallelem Betriebsmodus zu wechseln und dabei die jeweils effizienteste Konfiguration für den Betrieb der Energiespeicher zu wählen. Aufgrund nicht-linearer Effekte verringern hohe Dauerlastströme die Kapazität von Batterien. Ein wechselweises Betreiben mittels des Selektors trägt dazu bei, eine Dauerlast zu vermeiden und zudem einen Erholungsef¬ fekt (recovery) der Batterien zu nutzen. Batterien erholen sich gewissermaßen, wenn sie eine Zeitlang nicht belastet werden .
In einer weiteren Ausführungsform wird im parallelen Betriebsmodus in Abhängigkeit der jeweils höheren ersten oder zweiten Spannung der erste oder der zweite Energiespeicher mit dem Spannungswandler verbunden.
Die Spannung ist ein Maß für die Entladung der verwendeten Energiespeicher. Indem jeweils die höhere der Spannungen verwendet wird, können unnötige LeerlaufSpannungen vermieden und eine hohe Effizienz der Spannungsversorgung des Spannungs- wandlers gewährleistet werden.
Je nach verwendetem Spannungswandler kann es auch notwendig sein, die in Abhängigkeit der jeweils kleineren ersten oder zweiten Spannung den ersten oder den zweiten Energiespeicher mit dem Spannungswandler zu verbinden.
In einer weiteren Ausführungsform steuert der Selektor die Schalteranordnung im seriellen Betriebsmodus, solange die Summe aus der ersten und der zweiten Spannung kleiner als ein Schwellenwert ist.
Einen möglichen Schwellenwert stellt die gewünschte Ausgangs- Spannung der Schaltungsanordnung dar, wie sie vom Spannungswandler an einem Ausgang bereitgestellt wird. Ist die Summe aus erster und der zweiter Spannung kleiner als die gewünschte Ausgangsspannung wird also in den seriellen Betriebsmodus geschaltet .
In einer weiteren Ausführungsform ist der Selektor eingerichtet, das Messen und Vergleichen kontinuierlich oder periodisch durchzuführen. Durch das kontinuierliche oder periodische Überwachen der beiden Betriebszustände werden die Batterien beziehungsweise Energiespeicher ständig überwacht, sodass immer die günstigs¬ te Konfiguration gewählt wird. Auf diese Weise kann der
Gleichspannungswandler mit besonders guter Effizienz betrie- ben werden. Es ist ferner möglich, bei der Überwachung zu de- tektieren, ob ein Energiespeicher entnommen wird und unterbrechungslos auf den verbleibenden Energiespeicher umzuschalten. Die Funktion des Geräts wird nicht abgebrochen und Daten bleiben erhalten. Weiterhin kann auf diese Weise der Energie- Speicher auf Tiefentladung überwacht und bei Bedarf aus dem Stromkreis genommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schalteranordnung einen ersten, zweiten und dritten Schalter. Die Schalter sind bevorzugt als integrierte niederohmige Schalter oder
Transistoren ausgeführt. Während eines Schaltvorgangs bezie¬ hungsweise Umschaltens können die Schalter hochohmig sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Der erste Schalter koppelt den ersten Anschluss zum Anschlie¬ ßen des ersten Energiespeichers mit dem zweiten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers. Ferner ist der ers¬ te Schalter mit dem Spannungswandler verbunden. Der zweite Schalter koppelt den zweiten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers mit einem Massenpotential. Der drit¬ te Schalter koppelt einen dritten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers mit dem ersten Anschluss zum An¬ schließen des ersten Energiespeichers und mit dem ersten Schalter.
Am ersten Anschluss ist der erste Energiespeicher mittels ei¬ nes ersten Pols anschließbar. Am zweiten Anschluss ist der zweite Energiespeicher mittels seines ersten Pols anschließ- bar. Ein zweiter Pol des zweiten Energiespeichers ist am dritten Anschluss anschließbar.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung einen vierten Schalter, wobei der vierte Schalter den ersten Schalter mit dem zweiten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers koppelt und mit dem Spannungswandler verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Energiespei- eher lediglich mittels dessen ersten Pols mit der Schalteranordnung und mittels eines zweiten Pols lediglich mit dem Mas¬ sepotential verbindbar. Der zweite Energiespeicher ist mittels dessen ersten und zweiten Pols mit der Schalteranordnung verbindbar .
Auf diese Weise sind der erste und zweite Energiespeicher im seriellen Betriebsmodus in Reihe geschaltet. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Selektor eine VergleieherSchaltung .
Die Vergleicherschaltung ist eingerichtet, die Schalteranord- nung derart zu steuern, dass ein Schalten der Schalteranord¬ nung gemäß einer Hysterese erfolgt.
Auf diese Weise wird ein übersensibles Schalten verhindert. Aufgrund des Innenwiderstandes der Energiespeicher und gerade bei Batterien, bricht die Spannung beim Schalten auf einen der Energiespeicher oft etwas ein. Es kann zu einem ständigen Hin- und Herschalten kommen. Dies kann verhindert werden, indem der ersten und zweiten Spannung ein geeigneter Hysteresebetrag aufgeschlagen wird. Dies kann symmetrisch oder asym- metrisch erfolgen, indem die jeweiligen Beträge für das Hin- und Herschalten unterschiedlich groß gewählt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Spannungswandler einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler.
Die Verwendung eines Aufwärtswandlers oder eines Abwärtswand¬ lers ändert das vorgestellte Grundprinzip nicht. Anpassungen im Vergleich der ersten und zweiten Spannung sind aber notwendig. So wird im parallelen Betriebsmodus bei entsprechend höherer oder kleinerer Spannung der jeweilige Energiespeicher gewählt. Ebenso wird beispielsweise in den seriellen Be¬ triebsmodus gewechselt, wenn die Summe aus erster und zweiter Spannung größer als der Schwellenwert ist. In einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, wird zunächst eine erste Spannung an einem ersten Anschluss zum Anschließen eines ersten Energiespeichers und einer zwei- ten Spannung an einem zweiten Anschluss zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers gemessen. Die erste Spannung wird mit der zweiten Spannung verglichen. In der Folge wird in Abhängigkeit des Vergleichs von erster und zweiter Spannung der erste und/oder zweite Energiespeicher ausgewählt, indem der erste oder zweite Energiespeicher oder beide gemeinsam elektrisch leitend mit einem Spannungswandler zu dessen Spannungsversorgung verbunden werden. Mit dem vorgestellten Verfahren können zwei oder mehrere Batterien einzeln oder gleichzeitig verwendet werden, sodass der angeschlossene Spannungswandler mit einer hohen Effizienz betrieben werden kann. Gleichspannungswandler arbeiten meist umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen ihrer Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Der erste oder zweite
Energiespeicher wird nur solange als Stromquelle verwendet, bis es infolge der eintretenden Entladung effizienter wird, auf den jeweils anderen Energiespeicher umzuschalten. Dazu erfolgt der Vergleich beispielsweise als Summe aus erster und zweiter Spannung mit einer gewünschten Ausgangsspannung.
Das Entladen der beiden Energiespeicher erfolgt somit wechselweise, sodass diese Art balancierte Entladung der Lebens¬ dauer und Kapazität der Energiespeicher zugute kommen kann. Weiterhin ist es möglich, beide Energiespeicher gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler zu verbinden und so die Effizienz des Spannungswandlers weiter zu verbessern. Der Vergleich der ersten und zweiten Spannung kann zudem auch eine mögliche Tiefenentladung eines der Energiespeicher be- rücksichtigen und dieser entgegen wirken.
Das vorgestellte Verfahren kann sowohl Aufwärts- wie Abwärts¬ wandler in effizienter Weise ansteuern und die Spannungsver- sorgung sicherstellen. Ein spezieller und teurer Buck-Boost- Wandler kann entfallen.
In einer weiteren Ausführungsform wird in Abhängigkeit des Vergleichs der ersten mit der zweiten Spannung ein serieller Betriebsmodus oder ein paralleler Betriebsmodus aktiviert.
Dabei erfolgt das Auswählen des ersten oder zweiten Energie¬ speichers derart, dass im parallelen Betriebsmodus wechsel- weise der erste oder der zweite Energiespeicher elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbunden wird. Im seriellen Betriebsmodus hingegen werden der erste und der zweite Ener¬ giespeicher gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbunden.
Mit anderen Worten wird zwischen seriellem und parallelem Betriebsmodus gewechselt und dabei die jeweils effizienteste Konfiguration für den Betrieb der Energiespeicher gewählt. Es ist bekannt, dass aufgrund nicht-linearer Effekte beispiels- weise in Batterien hohe Dauerlastströme die Kapazität verrin¬ gern. Ein wechselweises Betreiben trägt dazu bei, eine Dauer¬ last zu vermeiden und zudem einen Erholungseffekt (recovery) der Energiespeicher zu nutzen. Gerade Batterien erholen sich gewissermaßen, wenn sie eine Zeitlang nicht belastet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird im parallelen Betriebsmodus in Abhängigkeit der jeweils höheren oder kleine¬ ren der ersten oder der zweiten Spannung der erste oder der zweite Energiespeicher mit dem Spannungswandler verbunden. Der serielle Betriebsmodus wird aktiviert, wenn die Summe aus erster und zweiter Spannung kleiner oder größer als ein
Schwellenwert ist. In einer weiteren Ausführungsform wird das Messen und Vergleichen kontinuierlich oder periodisch durchgeführt.
Durch das kontinuierliche oder periodische Überwachen der beiden Betriebszustände werden die Batterien beziehungsweise Energiespeicher ständig überwacht, sodass immer die günstigs¬ te Konfiguration gewählt wird. Auf diese Weise kann der
Gleichspannungswandler mit hoher Effizienz betrieben werden. Es ist ferner möglich, bei der Überwachung zu detektieren, ob ein Energiespeicher entnommen wird und unterbrechungslos auf den verbleibenden Energiespeicher umzuschalten. Die Funktion des Geräts wird nicht abgebrochen und Daten bleiben erhalten. Weiterhin kann auf diese Weise der Energiespeicher auf Tiefentladung überwacht und Bedarf aus dem Stromkreis genommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei¬ spielen anhand von Figuren näher erläutert. Soweit sich
Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entspre- chen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen: Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
Figur 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer
Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern nach dem vorgeschlagenen Prinzip, Figur 3 bis 7 beispielhafte Spannungsverläufe der Schaltungs¬ anordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schal¬ tungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, hier von Batterien. Die Schaltungsanordnung, die bevorzugt integriert ist, verfügt über einen Gleichspannungs¬ wandler DCDC und eine Schalteranordnung umfassend einen ers- ten, zweiten und dritten Schalter SW1, SW2, SW3. Ferner ist ein Selektor Slct vorgesehen, der zum Steuern der Schaltungsanordnung beziehungsweise der ersten, zweiten und dritten Schalter SW1, SW2, SW3 eingerichtet ist. Der Gleichspannungswandler DCDC ist mittels des ersten Schalters SW1 mit einem ersten Anschluss für einen Energiespeicher N_VBatl gekoppelt. Ferner ist der Gleichspannungswandler DCDC mit einem zweiten Anschluss zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers N_VBat2P verbunden. Der zweite Schalter SW2 koppelt ein Massenpotential GND mit einem dritten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers N_VBat2N. Dieser dritte Anschluss N_VBat2N ist zudem mittels des dritten
Schalters SW3 mit dem ersten Schalter SW1 und dem ersten Anschluss N_VBatl verbunden.
Der Selektor Slct ist mit Spannungsmessleitungen mit den Anschlüssen N_VBatl, N_VBat2N, N_VBat2P verbunden und verfügt über geeignete Mittel wie Komparatoren oder eine Messlogik, um Spannungen an den Anschlüssen N_VBatl, N_VBat2N, N_VBat2P zu messen.
Die Batterien Batl, Bat2 sind mittels ihrer Pole mit der Schaltungsanordnung verbunden, wobei die erste Batterie Batl lediglich mit einem ersten Pol Pia am ersten Anschluss
N_VBatl angeschlossen ist. Mit einem zweiten Pol Plb ist die erste Batterie Batl mit dem Massenpotential GND verbunden. Die zweite Batterie Bat2 hingegen ist sowohl mit einem ersten und mit einem zweiten Pol P2a, P2b am zweiten beziehungsweise dritten Anschluss N_VBat2P, N_VBat2N an die Schaltungsanord¬ nung angeschlossen.
Der Gleichspannungswandler DCDC ist in diesem Beispiel nach Art eines Aufwärts- oder Boostwandlers ausgeführt und ver¬ schaltet. Dazu weist der Gleichspannungswandler DCDC eine schaltbare Induktivität LX und eine Kapazität C auf, die je¬ weils mit einem Versorgungseingang VDD verbunden sind, wobei die Induktivität LX mit einem Ausgang VOUT der Schaltungsan- Ordnung gekoppelt ist. Der Gleichspannungswandler DCDC ist mit dem Ausgang VOUT mittels einer resistiven Schleife FB verbunden .
Der Gleichspannungswandler DCDC steuert Schalter der schalt- baren Induktivität LX und stellt somit eine Ausgangsspannung am Ausgang VOUT in Abhängigkeit einer Versorgungsspannung VDD ein .
In dieser Ausführungsform handelt es sich um eine Lösung für die Bereiche
VBat < VOUT < 2VBat im Neuzustand der Batterien und
2VBat < VOUT im entladenen Zustand, wobei Vbat der Batteriespannung beziehungsweise der Spannung der Energiespeicher und VOUT der gewünschten Ausgangsspannung entsprechen. Es können hier zwei oder mehrere Batterien einzeln oder gleichzeitig verwendet werden, sodass der Gleichspannungswandler DCDC mit einer hohen Effizienz arbeiten kann. Dabei ist der Gleichspannungswandler DCDC grundsätzlich umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Die Schaltungsanordnung wird in einem seriellen und parallelen Betriebsmodus ser, par betrieben. Mögliche Schalterstel¬ lungen der Schalter SW1, SW2, SW3 in diesen Betriebsmodi sind der Tabelle in der Figur 1 zu entnehmen. Der sich jeweils einstellende Spannungsverlauf wird im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 7 erläutert. Sowohl im seriellen wie parallelen Betriebsmodus werden beide Batterien Batl, Bat2 fortlaufend mittels des Selektors überwacht, der entsprechend der Schal¬ terstellungen der Tabelle die Schalter SW1, SW2, SW3 so steuert, dass die jeweils günstigste Konfiguration gewählt wird. In weiterer Folge wird beim Entnehmen einer Batterie Batl,
Bat2 automatisch und unterbrechungslos auf die andere Batte¬ rie umgeschaltet. Das Schaltung gewährleistet auch in diesem Fall eine Spannungsversorgung und Daten eines angeschlossenen Geräts bleiben erhalten. Weiterhin ist der Selektor einge- richtet, die Batterien Batl, Bat2 auf Tiefentladung zu überwachen und bei Bedarf aus dem Stromkreis zu nehmen.
Die resultierende Spannung am Versorgungseingang VDD wird zum Betrieb des eingebauten Gleichspannungswandlers DCDC verwen- det, kann aber auch zur Versorgung externer Bauteile verwendet werden. Konsequenterweise kann die Schaltungsanordnung nicht nur durch einen oder mehrere Gleichspannungswandler DCDC ergänzt werden, sondern auch durch beliebige andere Schaltungen, die mit einer geeigneten Spannung versorgt werden sollen. Ein anzuschließendes Gerät wird dabei bevorzugt am Ausgang VOUT angeschlossen. Figur 2 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Zusätzlich zu den in Figur 1 gezeigten ersten bis dritten Schaltern SW1, SW2, SW3 ist ein vierter Schalter SW4 vorgesehen. Dieser koppelt den Gleichspannungswandler DCDC mit dem zweiten Anschluss N_VBAT2P für einen zweiten Energiespeicher. Mit dieser Konfiguration ist es einfacher, den Zustand des ersten und zweiten Energiespeichers zu überwachen und ungünstige Spannungspotentiale zu vermei¬ den. Gegenüber der Lösung aus Figur 1 ist dazu etwas mehr Fläche nötig und die Effizienz etwas zurückgesetzt.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann der Gleichspannungswandler DCDC einen Abwärts- oder Buckwandler anstelle eines Aufwärts- oder Bugwandlers einsetzen. Dies ist insbesondere für Anwendungen mit Spannungsbereichen von
VOUT < VBat an neuen Batterien und VOUT < 2VBat bei entladenen Batterien. Solange die Batterien neu sind, können sie einzeln verwendet werden, um in der Folge im seriellen Betriebsmodus ser in Serie geschaltet zu arbeiten.
Die Schaltungsanordnung wird ebenfalls in einem seriellen und parallelen Betriebsmodus ser, par betrieben. Mögliche Schal¬ terstellungen der Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 in diesen Be- triebsmodi sind der Tabelle in der Figur 2 zu entnehmen. Der sich jeweils einstellende Spannungsverlauf wird im Zusammen¬ hang mit den Figuren 3 bis 7 erläutert. Die Figuren 3 bis 7 zeigen jeweils charakteristische Span¬ nungsverläufe der Schaltungsanordnungen nach Figuren 1 bis 2 nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figur 3 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf im paral- lelen Betriebsmodus par der Schaltungsanordnung nach Figur 1 oder 2. Gezeigt sind je ein Graph für die erste Spannung Vbatl, die zweite Spannung Vbat2 und die Versorgungsspannung VDD des Gleichspannungswandler DCDC auftragen gegen die Zeit t. Zusätzlich sind korrespondierende erste beziehungsweise zweite Ströme Ibatl, Ibat2 eingezeichnet.
Kommt wie hier ein Aufwärtswandler zum Einsatz, so wird im parallelen Betriebsmodus par nur zunächst je eine der beiden Batterien Batl, Bat2 als Stromquelle verwendet und daraus die Versorgungsspannung VDD abgeleitet und dem Gleichspannungs¬ wandler DCDC zugeführt. Dies erfolgt solange bis durch ent¬ sprechende Entladung die Summe der beiden Batteriespannungen Vbatl + Vbat2 nicht mehr größer als die gewünschte Ausgangs¬ spannung am Ausgang VOUT ist. Auf diese Weise kommt ein stu- fenartiger Spannungsverlauf zustande, wie er in den Graphen angedeutet ist. Dabei bezeichnet die jeweils fett gezeichnete Kurve die angeliegende beziehungsweise geschaltete Spannung. Die dünner gezeichnete Kurve zeigt die jeweils andere Span¬ nung als Vergleich. Aufgrund der Spannungsverläufe der ersten und zweiten Spannung Vbatl, Vbat2 zeigt auch die Versorgungs¬ spannung VDD einen stufenartigen Verlauf. Der Selektor Slct erlaubt eine balancierte Entladung, indem die beiden Batterien Batl, Bat2 wechselweise mit dem Gleichspannungswandler DCDC mittels der Schalter SWl bis SW3 beziehungsweise SW4 verbunden werden. Dies kommt insbesondere der Lebensdauer der Batterien zugute. Sobald möglich, werden beide Batterien in Serie geschaltet und so die Effizienz des Aufwärtswandlers weiter verbessert. Der Selektor Slct schal¬ tet den ersten bis dritten Schalter SWl, SW2, SW3 beziehungsweise vierter Schlater SW4 im seriellen und parallelen Be- triebszustand ser, par, wobei beide Betriebszustände fortlau¬ fend durch den Selektor Slct überwacht werden. Aufgrund die¬ ser Überwachung ist es möglich, die jeweils günstige Konfigu¬ ration der Batterien zu wählen. Der Selektor Slct kann in einer weiteren Ausführungsform eine Vergleicherschaltung aufweisen, die eingerichtet ist, die Schalter SWl, SW2, S3 und/oder SW4 derart zu steuern, dass ein Schalten der Schalteranordnung gemäß einer Hysterese erfolgt. Figur 4 zeigt dazu einen beispielhaften Spannungsver- lauf für eine symmetrische, Figur 5 eine asymmetrische Hyste¬ rese Vhystl, Vhyst2.
Aufgrund des Innenwiderstandes der Batterien Batl, Bat2 bricht die Spannung beim Schalten auf eine der Batterien Batl, Bat2 oft etwas ein. Es kann zu einem ständigen Hin- und Herschalten zwischen den Batterien Batl, Bat2 kommen. Dies wird verhindert, indem der ersten und zweiten Spannung Vbatl, Vbat2 ein geeigneter Hysteresebetrag Vhystl, Vhyst2 aufge¬ schlagen und erst unter Berücksichtigung dieser Beträge ge- schaltet wird. Dies kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen, indem die jeweiligen Beträge für das Hin- und Herschalten unterschiedlich groß gewählt werden. Um einen Kurzschluss zwischen den Batterien Batl, Bat2 zu vermeiden, ist in einer nicht gezeigten Ausführungsform vorgesehen während eines Umschaltvorgangs für einen kurzen Zeit¬ raum die Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 hochohmig auszuführen. Der Kondensator des Gleichspannungswandlers am Versorgungs¬ eingang VDD führt dazu, dass während des Umschaltens zwischen den Batterien Batl, Bat2 die Versorgungsspannung nicht für kurze Zeit auf zu geringe Werte absinkt. Außerdem dient er als Eingangskapazität des Gleichspannungswandlers und wir- dentsprechend dimensioniert. Kondensatoren der Batterien
Batl, Bat2 an den Eingängen N_Vbatl, N_Vbat2N, N_Vbat2P können ebenfalls helfen, kurzzeitige Störungen wie Spannungs¬ spitzen an den Eingängen zu vermeiden, die zu einem ungewollten Umschalten führen könnten.
Figur 6 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf im seriellen und parallelen Betriebsmodus ser, par einer Schaltungsanordnung nach Figuren 1 oder 2. Die Graphen zeigen in Anlehnung an Figur 3 je einen Graph für die erste Spannung Vbatl und die zweite Spannung Vbat2 sowie die Versorgungsspannung VDD des Gleichspannungswandler DCDC auftragen gegen die Zeit t. Der jeweils linke Teil zeigt den parallelen Betriebsmodus par und das wechselnde Schalten auf eine der beiden Batterien Batl, Bat2 in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Ladezustand. Sobald ein Schwellenwert Vthr er¬ reicht ist, wird in den seriellen Betriebsmodus ser geschal¬ tet . In den vorgestellten Schaltungen der Figuren 1 und 2 werden die Batterien Batl, Bat2 im seriellen Betriebsmodus ser in Reihe geschaltet, so dass die Summe aus erster und zweiter Spannung Vbatl + Vbat2 auf den Gleichspannungswandler DCDC geführt wird. Als Schwellenwert bietet sich in diesem Fall an, die Summe Vbatl + Vbat2 mit der gewünschten Ausgangsspannung Vout zu vergleichen. Ist die Bedingung für das Einschalten des seriellen Betriebsmodus ser erreicht, so wird nicht mehr zwischen den Batterien Batl, Bat2 geschaltet und die Versorgungsspannung VDD ergibt sich aus der Reihenschaltung beider Batterien. Dies ist im unteren Graphen als Sprungstelle angedeutet. Im seriellen Be- triebsmodus ser beziehungsweise in dem dann vorliegenden Ent- landezustand der Batterien Batl, Bat2 ist die Reihenschaltung die effizienteste Konfiguration zum Betreiben des Gleichspannungswandlers DCDC. Figur 7 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf einer
Schaltungsanordnung nach Figuren 1 oder 2 mit einem dritten Betriebsmodus 100.
Um die Effizienz der Spannungswandlung weiter zu optimieren kann der dritte Betriebsmodus 100 vorgesehen werden. Unter Ausnutzung einer geeigneten Toleranz der Ausgangsspannung Vout des Aufwärtswandlers wird letzterer in den dritten Be¬ triebsmodus 100 oder sogenannten 100%-Mode geschaltet. Dabei gilt
Voutmin < Vbatl + Vbat2 < Voutmax, wobei Voutmin, Voutmax eine untere und obere Toleranzgrenze für die Ausgangsspannung Vout angeben.
In diesem Modus oder 100%-Mode wird der Boost-Wandler abgeschaltet und sein Ausgang Vout direkt mit dem Eingang VDD verbunden. Dadurch wird die Effizienz des Gleichspannungs- wandlers DCDC sehr hoch und es ergibt sich insgesamt ein in Figur 7 dargestellte Spannungs- und Effizienzverlauf E (t) .
In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform ist statt eines Boost- ein Abwärts beziehungsweise Buck-Wandler vorge¬ sehen. Dieser regelt beispielsweise auf eine Ausgangsspannung von Vout = 1.3 V .
Dabei ändert sich das Vorgehen des Selektors Slct in Bezug auf den Vergleich von erster und zweiter Spannung Vbatl, Vba- t2, nicht aber das vorgeschlagene Grundprinzip. Zuerst werden abwechselnd die Batterien im parallelen Betriebsmodus wech¬ selweise entladen, bis beide für sich nicht mehr in der Lage sind, beispielsweise Vout = 1.3V, inklusive eventuelle Tole- ranz und 100%-Mode, aufzubringen. Dann wir in den seriellen Betriebsmodus ser geschaltet und die verbliebene Ladung in den beiden Batterien Vbatl + Vbat2 genutzt.
Bezugs zeichenliste
100 Betriebsmodus
BAT1 Batterie
BA 2 Batterie
DCDC Gleichspannungswandler
FB Feedback-Schleife
GND Massenpotential
Ibatl Batteriestrom
Ibat2 Batteriestrom
LX Induktivität
N_VBAT1 Anschluss für einen Energiespeicher
N_VBAT2N Anschluss für einen Energiespeicher
N_VBAT2P Anschluss für einen Energiespeicher Pia Pol
Plb Pol
P2a Pol
P2b Pol
par paralleler Betriebsmodus
ser serieller Betriebsmodus
Slct Selektor
SW1 Schalter
SW2 Schalter
SW3 Schalter
SW4 Schalter
t Zeit
Vbatl Batteriespannung
Vbat2 Batteriespannung
VDD Versorgungsspannung
Vhystl Hysterese
Vhyst2 Hysterese
Vthr Schwellenwert
VOUT Ausgangsspannung Voutmax obere Toleranz Voutmin untere Toleranz

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, umfassend:
- einen Spannungswandler (DCDC) ,
- eine Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) , die einen
ersten Anschluss (N_VBatl) zum Anschließen eines ers¬ ten Energiespeichers (Batl) und einen zweiten An¬ schluss (N_VBat2N, N_VBatP) zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers (Bat2) aufweist und zur Spannungsversorgung mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden ist und
- einen Selektor (Slct) , der eingerichtet ist zum Mes¬ sen einer ersten Spannung (Vbatl) am ersten Anschluss (N_VBatl) und zum Messen einer zweiten Spannung (Vbat2) am zweiten Anschluss (N_VBat2N, N_VBatP) , , wobei der Selektor (Slct) in Abhängigkeit eines Ver¬ gleichs der ersten und der zweiten Spannung (Vbatl, VBat2) die Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) derart steuert, dass
- in einem parallelen Betriebsmodus (par) wechselweise der erste oder der zweite Energiespeicher (Batl, Bat2) elektrisch leitend mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden ist und
- in einem seriellen Betriebsmodus (ser) der erste und der zweite Energiespeicher (Batl, Bat2) elektrisch leitend mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden sind .
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei im parallelen Betriebsmodus (par) in Abhängigkeit der jeweils höheren der ersten oder der zweiten Spannung (Vbatl, Vbat2) der erste oder der zweite Energiespeicher (Batl, Bat2) mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Selektor (Slct) die Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) im seriellen Betriebsmodus steuert, solange die Summe aus der ersten und der zweiten Spannung (Vbatl, Vbat2) kleiner als ein Schwellenwert (Vthr) ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Selektor (Slct) eingerichtet ist, das Messen und Vergleichen kontinuierlich oder periodisch durchzuführen .
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen ersten, zweiten und dritten Schalter (SW1, SW2, SW3) umfasst, wobei
- der erste Schalter (SW1) den ersten Anschluss
(N_VBatl) zum Anschließen eines ersten Pols (Pia) des ersten Energiespeichers (Batl) mit dem zweiten An¬ schluss (N_VBatP) zum Anschließen des zweiten Energiespeichers (Bat2) koppelt und mit dem Spannungs¬ wandler (DCDC) verbunden ist,
- der zweite Schalter (SW2) den zweiten Anschluss
(N_VBatN) zum Anschließen eines ersten Pols (P2a) des zweiten Energiespeichers (Bat2) mit einem Massenpo¬ tential (GND) koppelt und
- der dritte Schalter (SW3) einen dritten Anschluss
(N_VBatN) zum Anschließen eines zweiten Pols (P2b) des zweiten Energiespeichers (Bat2) mit dem ersten Anschluss (N_VBatl) zum Anschließen des ersten Energiespeichers (Batl) und mit dem ersten Schalter (SW1) koppelt . Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, die einen vierten Schalter (SW4) umfasst, wobei der vierte Schalter (SW4) den ersten Schalter (SW1) mit dem zweiten Anschluss (N_VBatP) zum Anschließen des zweiten Energiespeichers (Bat2) koppelt und mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei
- der erste Energiespeicher (Batl) lediglich mittels dessen ersten Pols (Pia) mit der Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) und ein zweiter Pol (Plb) lediglich mit dem Massenpotential (GND) verbindbar ist und
- der zweite Energiespeicher (Bat2) mittels dessen ersten und zweiten Pols (P2a, P2b) mit der Schalteran¬ ordnung (SW1, SW2, SW3) verbindbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Selektor (Slct) eine Vergleicherschaltung umfasst, die eingerichtet ist, die Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) derart zu steuern, dass ein Schalten der
Schalteranordnung (SW1, SW2, SW3) gemäß einer Hysterese erfolgt .
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Spannungswandler einen Aufwärtswandler oder Abwärtswandler umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, umfassend:
- Messen einer ersten Spannung (Vbatl) an einem ersten Anschluss (N_VBatl) zum Anschließen eines ersten Energiespeichers (Batl) und einer zweiten Spannung (Vbat2) an einem zweiten Anschluss (N_VBat2N, N_VBatP) zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers (Bat2),
- Vergleichen der ersten mit der zweiten Spannung
(Vbatl, VBat2) und
- Auswählen des ersten und/oder zweiten Energiespeichers (Batl, Bat2) in Abhängigkeit des Vergleichs ein serieller Betriebsmodus (ser) oder ein paralleler Betriebsmodus (par) aktiviert werden, wobei das Auswäh¬ len des ersten oder zweiten Energiespeichers (Batl, Bat2) derart erfolgt, dass
- im parallelen Betriebsmodus (par) wechselweise der erste oder der zweite Energiespeicher (Batl, Bat2) elektrisch leitend mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden ist und
- im seriellen Betriebsmodus (ser) der erste und der
zweite Energiespeicher (Batl, Bat2) elektrisch leitend mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei
- im parallelen Betriebsmodus (par) in Abhängigkeit der jeweils höheren der ersten oder der zweiten Spannung (Vbatl, Vbat2) der erste oder der zweite Energiespei¬ cher (Batl, Bat2) mit dem Spannungswandler (DCDC) verbunden wird und
- der serielle Betriebsmodus aktiviert wird, wenn die Summe aus der ersten und der zweiten Spannung (Vbatl, Vbat2) kleiner als ein Schwellenwert (Vthr) ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Messen und Vergleichen kontinuierlich oder periodisch durchgeführt werden.
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