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Stand der Technik
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Aufladbare
Batterien, d. h. Sekundärzellen können Schaden
nehmen, wenn sie überladen werden oder zu stark entleert
werden. Beispielsweise dürfen Li-Ionen-Sekundärbatteriezellen
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.
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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
Batterie zellen, an der geladenen Zelle vorbei zu leiten, indem geschaltete
Widerstandselemente verwendet werden.
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Die
Druckschrift
JP-11178224
A beschreibt eine Zerhackerschaltung zum Erhöhen
der Ladespannung für einen Lithium-Akkumulator. Die Druckschrift
US 2006/0238165 A1 beschreibt
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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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 Ladezeit erreicht, ein erhöhter Ladestrom
erzielt und ein deutlich höherer Ausgleichsstrom zur Symmetrierung
der Batterien innerhalb des Batteriepacks ermöglicht.
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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 Ladungsener gien 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 aneinandergeschlossene Batterien oder
Batterieanschlüsse umfassen. Die Batterie muss nicht notwendigerweise
an das direkt 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 stammende 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.
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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.
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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 verwendet wird.
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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 Stromlenkungselement
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)
= 1/L∫U dtgilt, falls der Pufferspeicher eine Induktivität
ist. Wenn näherungsweise angenommen werden kann, dass U über
die betrachtet Zeitdauer konstant ist, oder wenn ein Mittelwert
angenommen werden kann, gilt der Zusammenhang: I(t)
= (Uzelle/L)·t.
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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·(1 – e–t/τ),wobei gilt: τ = Rinnen·C.
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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 entspricht, d. h. die der
Dauer der Zeitperiode entspricht, in der das Stromlenkungselement
den Puf ferspeicher 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 welchem 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 Pufferspeichers 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.
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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 magnetische 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 erfindungsgemäße
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, beispielsweise 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.
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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 Batterie-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 Rist eine kontinuierliche oder periodische
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.
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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
Ladestrom 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.
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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 inhärenten Eigenschaften
der Diode sowie aus der Verknüpfung mit der restlichen Stromausgleicherschaltung.
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Vorzugsweise
umfasst der Vergleicher einen ersten Komparator, der den Ist-Batterieladezustand am
ersten Batterieanschluss, beispielsweise in Form der dort anliegenden
Spannung, 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.
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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.
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende Konzept wird ferner von einer Batteriegruppe
realisiert, 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 verbunden ist. Der Gruppenanschluss dient
daher als Schnittstelle zu externen Verbrauchern oder zu externen
Ladegeräten.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die
Batteriegruppe ferner eine Stromversorgungsschaltung für
die Komparatoren sowie für die Referenzspannungsquellen.
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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 Strompfad,
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 Leitens 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.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren einen Schritt des Erfassens des Ist-Batterieladezustands durch
Messen einer Spannung, die an der ersten Batterie (und an dem ersten
Batterieanschluss) anliegt, indem der Ladestrom gemessen wird, der
zu der ersten Batterie (zu dem ersten Batterieanschluss führt) oder
indem die Flussrichtung des Ladestroms erfasst 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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen
Stromausgleichers;
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2 eine
Batteriegruppe mit mehreren Batterien und mehreren zugehörigen
erfindungsgemäßen Stromausgleichern und die
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3 ein
Schaltungsschema für eine alternative Kombination von Batterien
mit erfindungsgemäßen Stromausgleichern gemäß einer
alternativen Ausführung
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die 1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Stromausgleichers mit einem Batterieelement 1, einer Induktivität 2,
einer Diode 3, einem Komparator 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.
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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 Komparator 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 verhindert, 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.
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In
der 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 Batterieanschluss 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 1 ist zu erkennen, dass dieser Strom zur Aufladung
der Induktivität L bzw. zum Aufbau des zugehörigen
Magnetfeldes führt.
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Der
zweite Strompfad ergibt sich bei geöffnetem Stromlenkungselement 6 durch
die Diode 3 hindurch und führt zum Stromfluss
zu einem zweiten Batterieanschluss 11a, 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 11a, 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 1 als Pufferspeicher vorgesehen ist, den über schüssigen
Strom aus einer ersten Potentialstufe und entlädt diese
Energie in die nächste Potentialstufe.
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In
der 1 ist das Batterieelement ein Li-Ionen-Element,
die Induktivität wird beispielsweise als Ringkerndrossel
mit hohem Induktivitätswert und die Diode 3 als
Hochleistungsdiode 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 1 als Stromquelle
dargestellt, vorgespannt wird. Der Verknüpfungspunkt zwischen
Vorwiderstand und Zener-Diode dient als Potentialreferenz für
den invertierten Eingang des Operationsverstärkers 4.
Die Induktivität 2 kann intern, zusammen mit der
Diode, dem Komparator 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 Stromausgleicherschaltung über
einen Batterieanschluss 11a, b mit einer zugehörigen
Batterie 1 verbunden. Ferner wird der Operationsverstärker 4 vorzugsweise
mit einer externen Versorgungsspannungsquelle versorgt, deren Masse
mit dem Masseanschluss der Batterie-Reihenschaltung verbunden ist.
Die in 1 dargestellte Schaltung dient zum Ausgleichen
des Ladestroms des ersten Batterieelements, dessen Minuspol die
Masse der Batteriereihenschaltung bildet.
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Die 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 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 Batterieelements 101.4 injiziert
wird. Die Batteriegruppe der 2 umfasst
ferner eine Stromversorgungs- 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.
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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 Informationen 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.
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3 zeigt
ein Schaltschema einer alternativen Ausführung, die komplementär
zur Ausführung der 1 und 2 ist.
In 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 201b 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 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.
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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 Potentialebene
verbunden. Das Stromlenkungselement der obersten Potentialebene
ist entsprechend mit dem Pluspol des Gesamt-Reihenschaltung der Batterien
verbunden.
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An
den Stellen A und A' können Reihenwiderstände
eingefügt sein, die den Stromfluss von dem jeweiligen Kondensator 202a bzw. 202b zur
jeweils folgenden Batterie 201b, 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.
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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 zugehörigen
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.
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Die
Kapazität kann ein unipolarer oder bipolarer Kondensator
sein, beispielsweise ein Elektrolytkondensator oder ein Gold-Cap.
Ferner kann als Pufferspeicher auch ein Akkumulator verwendet werden, der
an die Stelle der Kapazität tritt, beispielsweise ein Akkumulator
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 aufzuladenden
Batterie hin vorsieht.
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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, beispielsweise
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.
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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, beispielsweise 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.
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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.
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Ferner
kann die Schaltung mit Ausnahme der Induktivitäten in einen
ASIC integriert werden.
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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 Temperatur
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
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.
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Im
Allgemeinen wird während der Aufladezeit der Induktivität,
d. h. während der erste Strompfad aktiv ist, dem Batterieelement
die Energie ½L·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 gleicher Weise lässt
sich die Schaltung durch Spiegelung auch derart modifizieren, dass
die Energie auf ein Batterieelement übertragen wird, das
hinsichtlich des Potentials tiefer liegt.
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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
hinsichtlich des Potentials tiefer liegenden Elemente, d. h. der
Batterien der darunterliegenden Potentialstufen. In gleicher Weise
wird vorzugsweise die entnommene Symmetrierungsenergie 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 geringfügiger
belastet werden, d. h. bei hohem Batterieladezustand weniger entladen
werden, und bei geringerem Ladezustand weniger geladen werden.
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Vorzugsweise
werden die Schaltelemente von einer Steuereinrichtung derart angesteuert,
dass sie wiederholt den Schaltzustand wechseln. Durch eine Vielzahl
von Schaltvorgängen 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.
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Ferner
kann, falls eine Versorgungssteuerschaltung vorgesehen ist, diese
die Stromausgleicherschaltungen nur aktivieren, wenn die Batterien geladen
werden und gegebenenfalls für eine vorbestimmte Nachlaufzeit,
die beispielsweise durch eine vorbestimmte Zeitdauer oder durch
einen vorgegebenen Symmetrierungswert vorgegeben ist. Der Symmetrierungswert
entspricht beispielsweise der Streuung der Ladezustände
der Batterien.
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Neben
Li-Ionen-Batterien können auch andere wiederaufladbare
Batterien verwendet werden, beispielsweise Ni-Metallhydrid-Akkumulatoren, Ni-Cd-Akkumulatoren,
Bleiakkumulatoren und Ähnliches.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 11178224
A [0003]
- - US 2006/0238165 A1 [0003]