WO2011098206A2 - Schaltungsanordnung - Google Patents

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WO2011098206A2
WO2011098206A2 PCT/EP2011/000203 EP2011000203W WO2011098206A2 WO 2011098206 A2 WO2011098206 A2 WO 2011098206A2 EP 2011000203 W EP2011000203 W EP 2011000203W WO 2011098206 A2 WO2011098206 A2 WO 2011098206A2
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inductive storage
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circuit arrangement
inductive
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Tim Schaefer
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Li-Tec Battery Gmbh
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    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement, in particular a
  • Battery units of a battery assembly as well as a
  • A1 shows a circuit arrangement for exchanging electrical charge between accumulators of an accumulator arrangement which has a number of accumulators connected in series.
  • a charging current can be supplied to the accumulator arrangement.
  • a discharge current can be taken from the accumulator arrangement. In this case, different charge states of individual accumulators within the
  • Accumulator assigned to an inductive storage element wherein between the accumulator and the inductive storage element, a switching element is provided.
  • a second inductive storage element is inductively coupled to the first inductive storage elements.
  • the switching elements arranged between the first inductive storage elements and the associated accumulators are closed so that energy is taken from the accumulators which is transmitted to the second inductive storage element via the first inductive storage element.
  • the present invention has for its object to provide an improved circuit arrangement for balancing battery units, in particular series-connected battery units.
  • Circuit arrangement according to claim 1. Preferred embodiments emerge from the subclaims. According to the invention, a circuit arrangement is provided which has a
  • first and second battery units Series connection of first and second battery units, wherein first and second battery units are arranged alternately.
  • the first and second battery units can each be identical.
  • the difference between the first and second battery units is, as will be shown, mainly in the respective different interconnection.
  • Battery unit may comprise one or more electrochemical cells.
  • a first inductive storage element is provided.
  • Primary phase are first inputs of the first battery units with a first terminal of the first inductive storage element via a first
  • Second inputs of the second battery units can be connected to a second terminal of the first inductive storage element via the first switch arrangement.
  • a second inductive storage element is provided, which is inductively coupled to the first inductive storage element. Under an inductive coupling is to be understood that a magnetic field and a magnetic flux of the one inductive Memory element can be transferred to the other inductive storage element. This can preferably be done by means of a transformer core.
  • the first and the second inductive storage element can be
  • a first connection of the second inductive storage element with a first or a second input and a second connection of the second inductive storage element with a second or a first input can be connected by means of a second switch arrangement.
  • Battery units can represent an input of a battery unit at the same time an output of the series-connected battery unit.
  • an input of a second battery unit can represent an output of a first battery unit and vice versa.
  • a battery unit preferably comprises an electrode stack which, as an assembly of a galvanic cell, also serves to store chemical energy and to deliver electrical energy.
  • the electrode stack has a plurality of plate-shaped elements, at least two electrodes, namely an anode and a cathode, and a separator which at least partially receives the electrolyte.
  • at least one anode, a separator and a cathode are stacked or stacked, wherein the separator is at least partially disposed between the anode and the cathode.
  • This sequence of anode, separator and cathode can be repeated as often as desired within the electrode stack.
  • the electrode stack has a plurality of plate-shaped elements, at least two electrodes, namely an anode and a cathode, and a separator which at least partially receives the electrolyte.
  • at least one anode, a separator and a cathode are stacked or stacked, wherein the separator is at least partially
  • electrode stack Before the electrical energy is released, stored chemical energy is converted into electrical energy During charging, the electrical energy supplied to the electrode stack is converted into chemical energy and
  • the electrode stack has several Electrode pairs and separators on. Especially preferred are some
  • Electrodes are interconnected in particular electrically.
  • the circuit arrangement it is possible to specifically remove energy from a battery unit and store it in particular in the first inductive storage element, specifically in magnetic form. This magnetic energy can then be transmitted through the inductive coupling to the second inductive storage element.
  • the magnetic energy of the second inductive storage element can be transferred to first or second battery units.
  • Memory elements which are each associated with only one battery unit, can be omitted, so that there may be a simplified structure.
  • the switch devices can be designed by MOSFETs. By targeted, micro-controller controlled actuation of these switch devices can be made any flow of energy from any battery unit to any other battery unit.
  • inputs of a battery unit are each directly connected to an output of a respective upstream battery unit, in particular, second inputs of second battery units are each directly with first outputs connected by first battery units.
  • the circuit arrangement can be simplified. Switches of the switch arrangement, which serve to control the first battery units, can then also serve for interconnecting second battery units. Altogether thereby the number of the switches can be reduced and / or the structure of the
  • Circuit arrangement can be simplified.
  • first inputs with first intermediate switches and second inputs with second intermediate switches can be connected to the first inductive
  • Intermediate switch are preferably identical and only to differentiate by their location within the circuit arrangement to the first and the second battery units.
  • connection of the first inductive storage element connectable.
  • the first and second intermediate switches are part of the first switch arrangement.
  • the second switch arrangement serves to determine whether the energy, which may be stored in magnetic form in the first or second inductive storage element, is at first or at second
  • the second switch arrangement preferably has a third intermediate switch and a fourth intermediate switch, which may in particular also be formed by a one-piece switch. Depending on the position of these switches, a terminal of the memory element is connected to the inputs or the outputs of first or second battery units.
  • the second switch arrangement can also by fifth and sixth
  • Intermediate switches are added, which connect or disconnect the respective other terminal of the second inductive storage element with a corresponding input or output or a plurality of the battery units can.
  • the third and the fifth or the fourth and the sixth intermediate switch can each preferably be switched synchronously with each other.
  • the second switch arrangement preferably also serves in principle for the complete separation of the second inductive storage unit with all the inputs or outputs of the battery units.
  • the first inductive storage element is preceded by a charging switch in series.
  • This can in particular be connected directly in series with the first inductive storage element.
  • This charging switch can lead to a fundamental disconnection of the first inductive
  • Memory element can be used by a circuit in which the first inductive storage element can be arranged.
  • Battery units are preferably prevented, which is particularly important in the secondary phase.
  • the first inductive storage element and the second inductive storage element are preferably in the form of electromagnetic coils.
  • the electromagnetic coils have a number of turns.
  • Memory element to turns of the second inductive storage element is preferably greater than or equal to 1, in particular slightly greater than 1, namely in particular between 1, 05 and 1, 5, in particular between 1, 05 and 1, 1.
  • Target battery unit can be triggered, which can also have a lower voltage.
  • Ohmic voltage drops at contact and transitional resistances can be overcome.
  • inputs in particular all first and second
  • Inputs connected to at least one voltage measuring device.
  • the applied voltages to the individual battery units are determined or at least conclusions about the voltage to the individual battery units are drawn.
  • the determined voltages can make conclusions about the charges stored in the battery units, as described in DE 10 2008 021 090 A1.
  • the first and / or second inductive storage device is connected to a voltage measuring device.
  • Voltage measuring device may preferably be connected directly to the two terminals of the first inductive storage device.
  • the measurable voltage can draw conclusions about the inductive
  • the invention further relates to a battery management system comprising a circuit arrangement of the aforementioned type.
  • Fig. 1 shows schematically the state of charge of the battery units before initiating a balancing process
  • FIG. 2 shows the circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention in a primary phase
  • FIG. 3 shows the circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention in a secondary phase
  • 4 shows the circuit diagram of a circuit arrangement according to the invention in an alternative secondary phase
  • Figure 1 shows schematically the state of charge of five battery units 11, 12, which are arranged in a battery arrangement with a plurality of battery units.
  • the horizontal line marks the average
  • the left battery unit 11 has a higher state of charge than all others.
  • the mean battery unit 11 has a lower state of charge than all the other battery units, and in order to equalize the state of charge of all the battery units, it is necessary that the amount of charge on the left battery unit 11 is above the average to be transferred to the middle battery unit 11" becomes. This is realized by a circuit arrangement, which is explained in more detail with reference to the following figures.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement 10 according to the invention in one
  • Circuit arrangement 10 comprises a plurality of battery units 11, 12 which are connected in series.
  • An application circuit 25 is connected to the series connection of the battery units.
  • This application circuit 25 may comprise electrical consumers, in particular all possible in a vehicle electrical consumers such as an electric motor for driving or the like. Further, a charging of the battery unit via the
  • the first battery units 1 1 and second battery units 12 are structurally identical. Each battery unit 11, 12 is associated with an input 17, 18, wherein the first battery units 1 1 each have a first input 17 and the second battery units 12 each have a second input 18 is assigned. It can be seen that, as a rule, the inputs 18 of the second battery units 12 to the outputs of the first battery units 1 1 and the inputs 17 of the first battery units 11 correspond to the outputs of the second battery units 12, except for peripheral outer battery units.
  • the inputs 17, 18 of the battery units are connected via a first switch arrangements 15 to terminals 19, 20 of a first inductive storage element 13. This is a first
  • Connection 19 of the first inductive storage element 13 is connected.
  • a second intermediate switch 22 of the first switch arrangement 15 is connected to a second connection 20 of the first inductive storage element 13.
  • the circuit arrangement 10 is part of a battery management system 26.
  • FIG. 2 shows the circuit arrangement 10 in a primary phase, in which the excess energy from the left-hand battery unit 1 1 'is used to charge the first inductive storage element 13.
  • the corresponding first and second intermediate switches 21, 22 on the left battery unit 1 1 ' closed, so that a circuit is formed, which connects the left first battery unit 1 1' with the first inductive storage element 13.
  • Memory element 13 is connected upstream, is closed. All other switches of the circuit 10 shown are open.
  • FIG. 3 shows the circuit arrangement 10 according to FIG. 2 in a secondary phase following a primary phase shown with respect to FIG.
  • the intermediate switches 21, 22, which connect the left first battery unit 11 'to the first inductive storage element 13, are open, so that this battery unit 1 1' is no longer connected in a common circuit to the first inductive storage element 13 , Rather, first and second intermediate switches 21, 22 are opened relative to the central battery unit 11 ', which is to be supplied with excess energy from the left-hand battery unit 11', as already explained with regard to Figure 2.
  • the charging switch 27 is open, so that the first inductive Memory element 13 is completely disconnected from.
  • Secondary phase is a second inductive storage element 1 is used, which via a second switch assembly 16 and the first
  • Switch assembly 15 with one or more battery units 11, 12 can be connected.
  • the second switch arrangement 16 has fourth to seventh intermediate switches 23, 24, 29, 30, which can connect the terminals of the second inductive storage element 14 to the respective switches 21, 22, which are assigned to the inputs or outputs of the battery units.
  • the first inductive storage element 13 is by means of a
  • Transformer core 28 connected to the second inductive storage element 14.
  • the first inductive storage element 13, the second inductive storage element 14 and the transformer core 28 together form a transformer.
  • the fourth intermediate switch 24 and the sixth intermediate switch 30 are opened so that a circuit is established between the central battery unit 11 "and the second inductive storage element 14. The stored energy of the second inductive
  • Memory element 14 can now be transferred to the middle battery unit 1 1 ".
  • FIG. 4 shows, in a modification to the secondary phase shown in FIG. 3, an alternative secondary phase in which, instead of the middle first battery unit 11 ", a second battery unit 12 'is additionally supplied with energy through the battery
  • Circuit arrangement 10 is supplied. It can be seen that over the
  • Memory element 14 are now arranged reversed to the inputs or outputs of the second battery unit to be charged battery unit 12.
  • the third and the fifth intermediate switches 23, 29 are now closed. Further are those first and second intermediate switches 21, 22 are closed, which are assigned directly to the left second battery unit 12 'to be charged. Otherwise, the circuit arrangement 10 remains unchanged with respect to FIG.

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Abstract

Schaltungsanordnung (10), umfassend eine Reihenschaltung von ersten und zweiten Batterieeinheiten (11, 12), wobei erste und zweite Batterieeinheiten (11, 12) alternierend angeordnet sind, ein erstes induktives Speicherelement (13), wobei in einer Primärphase erste Eingänge (17) der ersten Batterieeinheiten (11) mit einem ersten Anschluss (19) des ersten induktiven Speicherelements (13) über eine erste Schalteranordnung (16) verbindbar sind und zweite Eingänge der zweiten Batterieeinheiten (18) mit einem zweiten Anschluss (20) des ersten induktiven Speicherelements (13) über die erste Schalteranordnung (15) verbindbar sind, ein zweites induktives Speicherelement (14), das mit dem ersten induktiven Speicherelement (13) induktiv gekoppelt ist, wobei in einer Sekundärphase mittels einer zweiten Schalteranordnung (16) ein erster Anschluss des zweiten induktiven Speicherelements (14) mit einem ersten oder einem zweiten Eingang und ein zweiter Anschluss des zweiten induktiven Speicherelements (14) mit einem zweiten oder einem ersten Eingang verbindbar ist.

Description

Schaltungsanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere eine
Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen
Batterieeinheiten einer Batterieanordnung, sowie ein
Batteriemanagementsystem mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
Die DE 10 2008 021 090 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung, die eine Anzahl in Reihe geschalteter Akkumulatoren aufweist. Ein Ladestrom kann der Akkumulatoranordnung zugeführt werden. Ein Entladestrom kann der Akkumulatoranordnung entnommen werden. Dabei können unterschiedliche Ladungszustände einzelner Akkumulatoren innerhalb der
Akkumulatoranordnung auftreten. Zum Ausgleich derart ungleicher
Ladungszustände ist bei der gezeigten Schaltungsanordnung jedem
Akkumulator ein induktives Speicherelement zugewiesen, wobei zwischen dem Akkumulator und dem induktiven Speicherelement ein Schaltelement vorgesehen ist. Ein zweites induktives Speicherelement ist induktiv gekoppelt mit den ersten induktiven Speicherelementen. In einem ersten Betriebsmodus sind die zwischen den ersten induktiven Speicherelementen und den dazugehörigen Akkumulatoren angeordneten Schaltelementen geschlossen, so dass den Akkumulatoren Energie entnommen wird, die über das erste induktive Speicherelement auf das zweite induktive Speicherelement übertragen wird. Durch entsprechendes Schließen von einzelnen Schaltelementen, die zwischen ersten induktiven Speicherelementen und den jeweiligen Akkumulatoren angeordnet sind, kann die in dem zweiten induktiven Speicherelement vorhandene Energie gezielt auf ein einzelnes oder auch auf mehrere
Akkumulatoren übertragen werden. Insgesamt kann hierdurch eine
Umschichtung von Energie von Akkumulatoren auf andere Akkumulatoren vorgenommen werden. Dies dient zum Balancieren der Akkumulatoren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung zum Balancieren von Batterieeinheiten, insbesondere in Reihe geschalteter Batterieeinheiten bereitzustellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Erfindungsgemäß ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die eine
Reihenschaltung von ersten und zweiten Batterieeinheiten umfasst, wobei erste und zweite Batterieeinheiten alternierend angeordnet sind. Die ersten und zweiten Batterieeinheiten können jeweils baugleich sein. Der Unterschied zwischen den ersten und zweiten Batterieeinheiten liegt, wie noch aufgezeigt wird, vorwiegend in der jeweils unterschiedlichen Verschaltung. Eine
Batterieeinheit kann dabei eine oder mehrere elektrochemische Zellen umfassen.
Ferner ist ein erstes induktives Speicherelement vorgesehen. In einer
Primärphase sind erste Eingänge der ersten Batterieeinheiten mit einem ersten Anschluss des ersten induktiven Speicherelements über eine erste
Schalteranordnung verbindbar. Zweite Eingänge der zweiten Batterieeinheiten sind mit einem zweiten Anschluss des ersten induktiven Speicherelements über die erste Schalteranordnung verbindbar. Ein zweites induktives Speicherelement ist vorgesehen, welches mit dem ersten induktiven Speicherelement induktiv gekoppelt ist. Unter einer induktiven Kopplung ist dabei zu verstehen, dass ein magnetisches Feld und ein magnetischer Fluss von dem einem induktiven Speicherelement auf das andere induktive Speicherelement übertragen werden kann. Dies kann vorzugsweise mittels eines Transformatorkerns vorgenommen werden. Das erste und das zweite induktive Speicherelement können
Bestandteil einer gemeinsamen Transformatoreinheit sein.
In einer Sekundärphase sind mittels einer zweiten Schalteranordnung ein erster Anschluss des zweiten induktiven Speicherelements mit einem ersten oder einem zweiten Eingang und ein zweiter Anschluss des zweiten induktiven Speicherelements mit einem zweiten oder einem ersten Eingang verbindbar. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass aufgrund der Reihenschaltung der
Batterieeinheiten ein Eingang einer Batterieeinheit zugleich einen Ausgang der in Reihe vorgeschalteten Batterieeinheit darstellen kann. So kann ein Eingang einer zweiten Batterieeinheit einen Ausgang einer ersten Batterieeinheit und umgekehrt darstellen.
Eine Batterieeinheit umfasst vorzugsweise einen Elektrodenstapel, welcher als Baugruppe einer galvanischen Zelle auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu weist der Elektrodenstapel mehrere plattenförmige Elemente auf, wenigstens zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, und einen Separator, welcher den Elektrolyt wenigstens teilweise aufnimmt. Vorzugsweise sind wenigstens eine Anode, ein Separator und eine Kathode übereinander gelegt bzw. gestapelt, wobei der Separator wenigstens teilweise zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. Diese Abfolge von Anode, Separator und Kathode kann sich innerhalb des Elektrodenstapels beliebig oft wiederholen. Vorzugsweise sind die
plattenförmigen Elemente zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Nachfolgend wird der Begriff„Elektrodenstapel" auch für Elektrodenwickel verwendet. Vor der Abgabe elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Während des Ladens wird die dem Elektrodenstapel zugeführte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und
abgespeichert. Vorzugsweise weist der Elektrodenstapel mehrere Elektrodenpaare und Separatoren auf. Besonders bevorzugt sind einige
Elektroden untereinander insbesondere elektrisch miteinander verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist es möglich, gezielt Energie aus einer Batterieeinheit zu entnehmen und diese insbesondere in dem ersten induktiven Speicherelement zwischenzuspeichern, und zwar in magnetischer Form. Diese magnetische Energie kann dann durch die induktive Kopplung auf das zweite induktive Speicherelement übertragen werden. Je nach Schaltung der zweiten Schalteranordnung kann die magnetische Energie des zweiten induktiven Speicherelements auf erste oder zweite Batterieeinheiten übertragen werden. Je nach Stellung der zweiten Schalteranordnung wird dabei grundsätzlich festgelegt, ob die magnetische Energie dabei auf erste oder auf zweite Batterieeinheiten übertragen werden soll. Nach Stellung der ersten Schalteranordnung in der Sekundärphase kann dann festgelegt werden, auf welche einzelne Batterieeinheit genau diese Energie übertragen werden soll. Vorteilhaft ist dabei, dass es möglich ist, ein erste und zweite induktive
Speicherelemente für die Balanciervorgang bezüglich mehrerer
Batterieeinheiten zu verwenden. Das Vorsehen mehrerer induktiver
Speicherelemente, die jeweils nur einer Batterieeinheit zugeordnete sind, kann entfallen, so dass sich ein vereinfachter Aufbau ergeben kann.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungseinrichtung können Unterschiede in Ladungszuständen zwischen den Batterieeinheiten über einen einzelnen Transformator ausgetauscht werden. Die Schaltereinrichtungen können dabei durch MOSFETs ausgestaltet sein. Durch gezieltes, micro-controller gesteuertes Betätigen dieser Schaltereinrichtungen kann jegliche Flussrichtung von Energie von einer beliebigen Batterieeinheit zu einer anderen beliebigen Batterieeinheit hergestellt werden. Vorzugsweise sind Eingänge einer Batterieeinheit jeweils unmittelbar mit einem Ausgang einer jeweils vorgeschalteten Batterieeinheit verbunden, insbesondere sind zweite Eingänge von zweiten Batterieeinheiten jeweils unmittelbar mit ersten Ausgängen von ersten Batterieeinheiten verbunden. Hierdurch kann die Schaltungsanordnung vereinfacht werden. Schalter der Schalteranordnung, die zur Ansteuerung der ersten Batterieeinheiten dienen, können dann auch zur Verschaltung von zweiten Batterieeinheiten dienen. Insgesamt kann dadurch die Anzahl der Schalter reduziert werden und / oder der Aufbau der
Schaltungsanordnung vereinfacht werden.
Vorzugsweise können dabei erste Eingänge mit ersten Zwischenschaltern und zweite Eingänge mit zweiten Zwischenschaltern an das erste induktive
Speicherelement angeschlossen werden. Die ersten und zweiten
Zwischenschalter sind dabei vorzugsweise baugleich und lediglich durch deren Lage innerhalb der Schaltungsanordnung an den ersten bzw. den zweiten Batterieeinheiten zu differenzieren. Dabei sind die zweiten Zwischenschalter mit dem zweiten Anschluss und die ersten Zwischenschalter mit dem ersten
Anschluss des ersten induktiven Speicherelements verbindbar. Die ersten und zweiten Zwischenschalter sind Bestandteil der ersten Schalteranordnung.
Die zweite Schalteranordnung dient insbesondere zur Festlegung, ob die Energie, welche in magnetischer Form in dem ersten oder zweiten induktiven Speicherelement gespeichert sein kann, auf erste oder auf zweite
Batterieeinheiten übertragen werden soll. Über die zweite Schaltungsanordnung wird dabei mit anderen Worten ein Eingang einer Batterieeinheit zu einem Ausgang für den nachfolgenden Ladevorgang umgewandelt. Dabei weist die zweite Schalteranordnung vorzugsweise einen dritten Zwischenschalter und einen vierten Zwischenschalter auf, die insbesondere auch durch einen einteiligen Schalter ausgebildet sein können. Je nach Stellung dieser Schalter wird ein Anschluss des Speicherelements jeweils mit den Eingängen oder den Ausgängen von ersten bzw. zweiten Batterieeinheiten verbunden. Vorzugsweise kann die zweite Schalteranordnung auch durch fünfte und sechste
Zwischenschalter ergänzt werden, die den jeweils anderen Anschluss des zweiten induktiven Speicherelements mit einem entsprechenden Eingang bzw. Ausgang oder mehreren davon der Batterieeinheiten verbinden oder trennen kann. Der dritte und der fünfte bzw. der vierte und der sechste Zwischenschalter können jeweils vorzugsweise synchron miteinander geschaltet werden. Die zweite Schalteranordnung dient dabei vorzugsweise auch grundsätzlich zum vollständigen Trennen der zweiten induktiven Speichereinheit mit sämtlichen Eingängen bzw. Ausgängen der Batterieeinheiten.
Vorzugsweise ist dem ersten induktiven Speicherelement ein Ladeschalter in Reihe vorgeschaltet. Dieser kann insbesondere unmittelbar dem ersten induktiven Speicherelement in Reihe vorgeschaltet sein. Dieser Ladeschalter kann zu einem grundsätzlichen Trennen des ersten induktiven
Speicherelements von einem Stromkreis eingesetzt werden, in dem das erste induktive Speicherelement angeordnet sein kann. Damit kann jeglicher
Stromfluss zwischen dem ersten induktiven Speicherelement und den
Batterieeinheiten vorzugsweise unterbunden werden, was insbesondere in der Sekundärphase von Bedeutung ist.
Das erste induktive Speicherelement und das zweite induktive Speicherelement sind vorzugsweise in Form von elektromagnetischen Spulen ausgebildet. Dabei weisen jeweils die elektromagnetischen Spulen eine Anzahl von Windungen auf. Ein Windungsverhältnis Ni / N2 von Windungen des ersten induktiven
Speicherelements zu Windungen des zweiten induktiven Speicherelements ist dabei vorzugsweise größer oder gleich 1 , insbesondere geringfügig größer als 1 , nämlich insbesondere zwischen 1 ,05 und 1 ,5, insbesondere zwischen 1 ,05 und 1 ,1. Durch diese Wahl des Windungsverhältnisses können
Wirkungsgradverluste ausgeglichen und ein Ladevorgang auf eine
Zielbatterieeinheit ausgelöst werden, die auch eine niedrigere Spannung haben kann. Ohmsche Spannungsabfälle an Kontakt- und Übergangswiederständen können überwunden werden. Vorzugsweise sind Eingänge, insbesondere sämtliche erste und zweite
Eingänge, an zumindest eine Spannungsmesseinrichtung angeschlossen. Über die Spannungsmesseinrichtung können die anliegenden Spannungen an den einzelnen Batterieeinheiten ermittelt werden oder zumindest Rückschlüsse auf die Spannung an den einzelnen Batterieeinheiten gezogen werden. Die ermittelten Spannungen können Rückschlüsse auf die in den Batterieeinheiten gespeicherten Ladungen ermöglichen, wie es auch in der DE 10 2008 021 090 A1 beschrieben ist.
Vorzugsweise ist die erste und / oder zweite induktive Speichereinrichtung an eine Spannungsmesseinrichtung angeschlossen. Die
Spannungsmesseinrichtung kann vorzugsweise unmittelbar mit den beiden Anschlüssen der ersten induktiven Speichereinrichtung verbunden sein. Die damit messbare Spannung kann Rückschlüsse auf den induktiven
Ladungszustand der jeweiligen induktiven Speichereinrichtung geschlossen werden. Dies ist von Vorteil um möglichst optimal Energie aus einer
Batterieeinheit zum Laden der induktiven Speichereinrichtung zu entnehmen, die dann wiederum über die zweite induktive Speichereinrichtung einer anderen Batterieeinheit zugeführt werden kann. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung erhöht werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemanagementsystem, umfassend eine Schaltungsanordnung der vorgenannten Art.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, hierin zeigt: Fig. 1 schematisch den Ladezustand der Batterieeinheiten vor Einleiten eines Balanciervorgangs;
Fig. 2 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einer Primärphase;
Fig. 3 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einer Sekundärphase; Fig. 4 das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einer alternativen Sekundärphase; Figur 1 zeigt schematisch den Ladungszustand von fünf Batterieeinheiten 11 , 12, die in einer Batterieanordnung mit mehreren Batterieeinheiten angeordnet sind. Die horizontale Linie markiert dabei den durchschnittlichen
Ladungszustand über alle fünf Batterieeinheiten. Es ist ersichtlich, dass die linke Batterieeinheit 11 ' einen höheren Ladezustand aufweist als alle übrigen. Die mittlere Batterieeinheit 11 " weist einen niedrigeren Ladezustand als alle übrigen Batterieeinheiten auf. Um den Ladezustand aller Batterieeinheiten aneinander anzugleichen ist es erforderlich, dass diejenige Ladungsmenge, die an der linken Batterieeinheit 1 1 ' oberhalb des Durchschnittes ist, auf die mittlere Batterieeinheit 11 " übertragen wird. Dies wird durch eine Schaltungsanordnung realisiert, die anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert wird.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 10 in einer
Primärphase, bei der elektrische Energie aus einer Batterieeinheit 1 1 ' entnommen wird, um diese Energie in einer anschließenden Sekundärphase einer anderen Batterieeinheit 11 " zuzuführen. Die gezeigte
Schaltungsanordnung 10 umfasst mehrere Batterieeinheiten 11 , 12 die in Reihe geschaltet sind. Ein Anwendungsstromkreis 25 ist an die Reihenschaltung der Batterieeinheiten angeschlossen. Dieser Anwendungsstromkreis 25 kann elektrische Verbraucher, insbesondere sämtliche in einem Fahrzeug mögliche elektrischen Verbraucher wie einen Elektromotor zum Antrieb oder Ähnliches aufweisen. Ferner wird ein Ladevorgang der Batterieeinheit über den
Anwendungsstromkreis vorgenommen. Die ersten Batterieeinheiten 1 1 und zweiten Batterieeinheiten 12 sind baulich identisch. Jeder Batterieeinheit 11 , 12 ist ein Eingang 17, 18 zugeordnet, wobei den ersten Batterieeinheiten 1 1 jeweils ein erster Eingang 17 und den zweiten Batterieeinheiten 12 jeweils ein zweiter Eingang 18 zugeordnet ist. Es ist ersichtlich, dass in der Regel die Eingänge 18 der zweiten Batterieeinheiten 12 den Ausgängen der ersten Batterieeinheiten 1 1 und die Eingänge 17 der ersten Batterieeinheiten 11 den Ausgängen der zweiten Batterieeinheiten 12 entsprechen, mit Ausnahme von randseitig äußeren Batterieeinheiten. Die Eingänge 17, 18 der Batterieeinheiten sind über eine erste Schalteranordnungen 15 mit Anschlüssen 19, 20 eines ersten induktiven Speicherelements 13 verbunden. Dabei ist ein erster
Zwischenschalter 21 der ersten Schalteranordnung 15 mit einem ersten
Anschluss 19 des ersten induktiven Speicherelements 13 verbunden. Ein zweiter Zwischenschalter 22 der ersten Schalteranordnung 15 ist mit einem zweiten Anschluss 20 des ersten induktiven Speicherelements 13 verbunden. Die Schaltungsanordnung 10 ist Bestandteil eines Batteriemanagementsystems 26.
In Figur 2 ist die Schaltungsanordnung 10 in einer Primärphase dargestellt, in der die überschüssige Energie aus der linken Batterieeinheit 1 1 ' dazu verwendet wird, das erste induktive Speicherelement 13 aufzuladen. Dabei sind die entsprechenden ersten und zweiten Zwischenschalter 21 , 22 an der linken Batterieeinheit 1 1 ' geschlossen, so dass sich ein Stromkreis bildet, der die linke erste Batterieeinheit 1 1 ' mit dem ersten induktiven Speicherelement 13 verbindet. Ein Ladeschalter 27, der unmittelbar dem ersten induktiven
Speicherelement 13 vorgeschalten ist, ist geschlossen. Sämtliche anderen Schalter der gezeigten Schaltungsanordnung 10 sind geöffnet.
Figur 3 zeigt die Schaltungsanordnung 10 nach Figur 2 in einer bezüglich der Figur 2 gezeigten Primärphase nachfolgenden Sekundärphase. Es ist ersichtlich, dass die Zwischenschalter 21 , 22, die die linke erste Batterieeinheit 11 ' mit dem ersten induktiven Speicherelement 13 verbinden, geöffnet sind, so dass diese Batterieeinheit 1 1 ' nicht mehr in einem gemeinsamen Stromkreis mit dem ersten induktiven Speicherelement 13 verbunden ist. Vielmehr sind erste und zweite Zwischenschalter 21 , 22 bezüglich der mittleren Batterieeinheit 1 1 ", die, wie bezüglich Figur 2 bereits ausgeführt, mit überschüssiger Energie aus der linken Batterieeinheit 11 ' versorgt werden soll, geöffnet. Ferner ist zu erkennen, dass der Ladeschalter 27 geöffnet ist, so dass das erste induktive Speicherelement 13 von vollständig abgekoppelt ist. In der vorliegenden
Sekundärphase kommt ein zweites induktives Speicherelement 1 zum Einsatz, welches über eine zweite Schalteranordnung 16 und die erste
Schalteranordnung 15 mit einer oder mehreren Batterieeinheiten 11 , 12 verbunden werden kann. Die zweite Schalteranordnung 16 weist vierte bis siebte Zwischenschalter 23, 24, 29, 30 auf, welche die Anschlüsse des zweiten induktiven Speicherelements 14 mit den jeweiligen Schaltern 21 , 22, die den Eingängen bzw. Ausgängen der Batterieeinheiten zugeordnet sind, verbinden können. Das erste induktive Speicherelement 13 ist mittels eines
Transformatorkerns 28 mit dem zweiten induktiven Speicherelement 14 verbunden. Das erste induktive Speicherelement 13, das zweite induktive Speicherelement 14 sowie der Transformatorkern 28 bilden gemeinsam einen Transformator. In der gezeigten Sekundärphase ist der vierte Zwischenschalter 24 sowie der sechste Zwischenschalter 30 geöffnet, so dass ein Stromkreis zwischen der mittleren Batterieeinheit 11 " und dem zweiten induktiven Speicherelement 14 hergestellt ist. Die gespeicherte Energie des zweiten induktiven
Speicherelements 14 kann nun auf die mittlere Batterieeinheit 1 1 " übertragen werden.
Figur 4 zeigt in Abwandlung zur der in Figur 3 gezeigten Sekundärphase eine alternative Sekundärphase, in der anstelle der mittleren ersten Batterieeinheit 11 " eine zweite Batterieeinheit 12' zusätzlich mit Energie durch die
Schaltungsanordnung 10 versorgt wird. Es ist ersichtlich, dass über den
Zwischenschalter 21 nunmehr ein Strom in einer andere Richtung fließen muss, als dies bezüglich der Figur 3 der Fall war. Die zweite Schalteranordnung 16 sorgt in diesem Fall dafür, dass die Ausgänge des zweiten induktiven
Speicherelements 14 nunmehr umgekehrt zu den Eingängen bzw. Ausgängen der zweiten Batterieeinheit der zu ladenden Batterieeinheit 12 angeordnet sind. Dazu sind anstelle der vierten und der sechsten Zwischenschalter nunmehr der dritte und der fünfte Zwischenschalter 23, 29 geschlossen. Ferner sind diejenigen ersten und zweiten Zwischenschalter 21 , 22 geschlossen, die unmittelbar der zu ladenden linken zweiten Batterieeinheit 12' zugeordnet sind. Im Übrigen verbleibt die Schaltungsanordnung 10 gegenüber der Figur 3 unverändert.
Bezugszeichenliste
10 Schaltungsanordnung
1 1 erste Batterieeinheit
12 zweite Batterieeinheit
13 erstes induktives Speicherelement
14 zweites induktives Speicherelement
15 erste Schalteranordnung
16 zweite Schalteranordnung
17 Eingänge der ersten Batterieeinheit
18 Eingänge der zweiten Batterieeinheit
19 erster Anschluss des ersten induktiven Speicherelements
20 zweiter Anschluss des ersten induktiven Speicherelements
21 erster Zwischenschalter
22 zweiter Zwischenschalter
23 dritter Zwischenschalter
24 vierter Zwischenschalter
25 Anwendungsstromkreis
26 Batteriemanagementsystem
27 Ladeschalter
28 Transformatorkern
29 fünfter Zwischenschalter
30 sechster Zwischenschalter

Claims

Patentansprüche
Schaltungsanordnung (10), umfassend eine Reihenschaltung von ersten und zweiten Batterieeinheiten (11 , 12), wobei erste und zweite Batterieeinheiten (11 , 12) alternierend angeordnet sind,
ein erstes induktives Speicherelement (13),
wobei in einer Primärphase erste Eingänge (17) der ersten Batterieeinheiten (1 1 ) mit einem ersten Anschluss (19) des ersten induktiven
Speicherelements (13) über eine erste Schalteranordnung (15) verbindbar sind und zweite Eingänge der zweiten Batterieeinheiten (18) mit einem zweiten Anschluss (20) des ersten induktiven Speicherelements (13) über die erste Schalteranordnung (15) verbindbar sind,
ein zweites induktives Speicherelement (14), das mit dem ersten induktiven Speicherelement (13) induktiv gekoppelt ist,
wobei in einer Sekundärphase mittels einer zweiten Schalteranordnung (16) ein erster Anschluss des zweiten induktiven Speicherelements (14) mit einem ersten oder einem zweiten Eingang und ein zweiter Anschluss des zweiten induktiven Speicherelements (14) mit einem zweiten oder einem ersten Eingang verbindbar ist.
Schaltungsanordnung nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Eingänge der zweiten Batterieeinheiten (18) jeweils mit einem Ausgang einer ersten Batterieeinheit verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass erste Eingänge mit ersten Zwischenschaltern (22) und zweite Eingänge mit zweiten Zwischenschaltern (22) an das erste induktive Speicherelement (13) verbunden werden können.
Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Schalteranordnung (16) dritte Zwischenschalter (23) und vierte Zwischenschalter (24) umfasst. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Schalteranordnung (16) fünfte (29) und sechste (30) Zwischenschalter umfasst, wobei dritte (23) und fünfte (29) bzw. vierte (24) und sechste (30) Zwischenschalter jeweils synchron miteinander geschaltet werden können.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem ersten induktiven Speicherelement (13) ein Ladeschalter (27) in Reihe vorgeschaltet ist, insbesondere unmittelbar in Reihe vorgeschaltet ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Windungsverhältnis (Ni/N2) von Windungen (Ni) des ersten induktiven Speicherelements (13) zu Windungen (N2) des zweiten induktiven Speicherelements (14) größer oder gleich 1 ist, insbesondere geringfügig größer als 1 ist, nämlich insbesondere zwischen 1 ,05 und 1 ,5, insbesondere zwischen 1 ,05 und 1 ,1 beträgt. 8. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten und zweiten Eingänge an zumindest eine
Spannungsmesseinrichtung angeschlossen sind. 9. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste induktive Speichereinrichtung (13) und/oder die zweite induktive Speichereinrichtung (14) an eine Spannungsmesseinrichtung angeschlossen ist. 10. Batteriemanagementsystem, umfassend eine Schaltungsanordnung nach einem vorherigen Ansprüche.
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