DE102006028503A1

DE102006028503A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laden eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102006028503A1
Application number: DE102006028503A
Authority: DE
Inventors: Martin GÖTZENBERGER; Alexander Reich
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2007-12-27
Also published as: EP2036182A1; WO2007147660A1; CN101473508B; CN101473508A; US20090273321A1

Abstract

Bei zumindest zwei in Reihe geschalteten Zellen (Z) eines Energiespeichers (DLC) wird mit Hilfe eines ersten Ladepfads (2, 4, CK) die zum Ausgleich der gespeicherten Ladungen benötigte Energie über einen Wechselspannungsbus (4) jeweils der Zelle (ZX), an der die geringste Zellspannung (UZX) abfällt, zugeführt. Der Wechselspannungsbus (4) wird hierbei aus einem Energiespeicher (B, DLC) über einen Gleichspannungswandler (1) und einen Wechselspannungswandler (2) mit Energie versorgt. Erfindungsgemäß ist nun ein zweiter Ladepfad (DL) vorgesehen, der den mit dem Wechselspannungswandler (2) verbundenen Anschluss des Gleichspannungswandlers (1) alternativ mit einer Reihenschaltung mehrerer Zellen (Z), insbesondere aller Zellen (Z) des Energiespeichers (DLC), verbinden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers, insbesondere eines Energiespeichers, der mehrere in Reihe angeordnete einzelne Zellen, beispielsweise Doppelschichtkondensatoren aufweist, wie sie beispielsweise bei einem Kraftfahrzeugbordnetz Verwendung finden.
Eines der Hauptprobleme der Hybridtechnik bei Kraftfahrzeugen stellen die elektrischen Energiespeicher dar. Zum einen werden Energiespeicher mit einer hohen Kapazität benötigt, zum anderen müssen diese auch kurzfristig hohe Leistungen im Bordnetz aufnehmen und bereitstellen können. Es werden beispielsweise bei der Beschleunigungsunterstützung (Boosten der Brennkraftmaschine) durch eine als Elektromotor arbeitende elektrische Maschine oder bei der Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie durch die als Generator arbeitende elektrische Maschine beim regenerativen Bremsvorgang (Rekuperation) hohe Anforderungen an die Energiespeicher gestellt.
Ein Energiespeicher, der die Anforderungen bezüglich der kurzfristigen hohen Leistung erfüllt, ist beispielsweise der Doppelschichtkondensator. Die maximale Spannung einer Einzelzelle eines Doppelschichtkondensators ist auf 2,5V bis 3,0V begrenzt, so dass für eine Spannung von beispielsweise 60V, wie sie insbesondere für ein so genanntes Mild-Hybridfahrzeug benötigt wird, etwa 20 bis 26 Einzelkondensatoren zu einem Kondensatorstapel in Reihe geschaltet werden müssen.
Aufgrund einer unterschiedlichen Selbstentladung der Einzelzellen kommt es im Laufe der Zeit zu einem Ladungsungleichgewicht im Kondensatorstapel, das nach längeren Standzeiten den Doppelschichtkondensator letztendlich unbrauchbar machen würde, wenn kein Ladungsausgleich vorgenommen wird.
Bei einem bekannten Verfahren zum Ladungsausgleich von in Reihe angeordneten einzelnen Zellen eines Energiespeichers (WO 2006/000471 A1) wird dem Energiespeicher oder einer weiteren Energiequelle Energie entnommen und damit ein Zwischenkreiskondensator aufgeladen. Die Spannung des Zwischenkreiskondensators wird von einem DC/AC-Wandler wechselgerichtet und diese Wechselspannung über einen Wechselspannungsbus und einen Koppelkondensator mittels eines Gleichrichters in einen pulsierenden Gleichstrom gewandelt und mit diesem dann die Zelle, mit der geringsten Zellspannung aufgeladen.
Kommt es nun in bestimmten Betriebssituationen dazu, dass der Energiespeicher vollständig entladen ist, dies tritt beispielsweise in dem Fall auf, wenn ein neuer Energiespeicher eingebaut wird oder das Fahrzeug lange Zeit steht, so stellt sich das Laden des Doppelschichtkondensators als besonders schwierig dar.
Im üblichen Anwendungsfall kann das 14V-Bordnetz des Kraftfahrzeugs über einen Tiefsetzsteller vom Doppelschichtkondensator versorgt werden. Diese Anordnung wäre zwar auch zum Laden des Doppelschichtkondensators geeignet, setzt jedoch voraus, dass die Spannung des Doppelschichtkondensators nicht unter die des Bordnetzes abfällt. Ist der Doppelschichtkondensator jedoch vollständig entladen, so wäre ein zweiter kleiner Tiefsetzsteller erforderlich, über den der Doppelschichtkondensator bis zur Spannung des Bordnetzes aufgeladen werden könnte.
Bei dem eingangs erwähnten Verfahren und der Vorrichtung gemäß der WO 2006/000471 A1 ist es auch möglich, die Zellen über eine externe Quelle aufzuladen. Es erweist sich jedoch bei dieser Ladungsausgleichsschaltung als nachteilig, dass die Ladung des Doppelschichtkondensators mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden ist.
Wird beispielsweise ein Stapel aus 24 Doppelschichtkondensatoren mit einer Kapazität von je 1800F mit einem Summenstrom von 4A aus der Ausgleichsschaltung geladen, so ergibt sich ein Ladestrom von 0,167A pro Zelle. Je Zelle werden bei 14V Bordnetzspannung 0,625V Zellspannung benötigt. Somit ergibt sich eine Ladezeit t = U*C/I = 0,625*1800F/0,167A = 6750s.
Zur Aufladung des Doppelschichtkondensators würden folglich in etwa 2h benötigt werden. Ein solch langer Zeitraum ist jedoch weder bei der Fertigung, noch bei der späteren Nutzung des Fahrzeugs akzeptabel.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen das Aufladen eines Doppelschichtkondensators zu vereinfachen und zu beschleunigen.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 8 gelöst.
Bei zumindest zwei in Reihe geschalteten Zellen eines Energiespeichers wird mit Hilfe eines ersten Ladepfads die zum Ausgleich der gespeicherten Ladungen benötigte Energie über einen Wechselspannungsbus (AC-Bus) jeweils der Zelle, an der die geringste Zellspannung abfällt, zugeführt. Der Wechselspannungsbus wird hierbei aus einem Energiespeicher über einen Gleichspannungswandler und einen Wechselspannungswandler mit Energie versorgt.
Erfindungsgemäß ist nun ein zweiter Ladepfad vorgesehen, der den mit dem Wechselspannungswandler verbundenen Anschluss des Gleichspannungswandlers alternativ mit einer Reihenschaltung mehrerer Zellen, insbesondere aller Zellen des Energiespeichers, verbinden kann.
Auf diese Weise kann – insbesondere bei einem weitgehend leeren Energiespeicher – die Ladung desselben zunächst oder auch ausschließlich über den zweiten Ladepfad erfolgen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Anbindung und Potentialtrennung der Zellen kapazitiv, insbesondere über Kondensatoren, erfolgen. Alternativ kann die Abbindung über induktive Koppelelemente, insbesondere über Transformatoren, erfolgen.
Die Installation ist durch das Bussystem einfach durchführbar. Die einzelnen Zellen können insbesondere über eine oder zwei Wechselspannungsbusleitungen versorgt werden. Es werden für die Schaltung nur wenige und auch preiswerte Standardkomponenten benötigt.
Die Auswahl des Ladepfades (erster Ladepfad oder zweiter Ladepfad) kann beispielsweise über eine Steuereinheit erfolgen. Hierbei bestimmt die Steuereinheit den jeweiligen Ladepfad. Dies kann beispielsweise aufgrund von Betriebsparametern eines Kraftfahrzeugs, insbesondere der Betriebsparameter des Energiespeichers, einer Brennkraftmaschine und/oder einer elektrischen Maschine, erfolgen. Der Ladevorgang kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zunächst über den zweiten Ladepfad erfolgen, insbesondere bis zu dem Zeitpunkt zu dem eine bestimmte Zellspannung oder Spannung über dem Energiespeicher erreicht ist und im Anschluss daran über den ersten Ladepfad fortgeführt werden.
Vorteilhafterweise kann so nach einer anfänglichen schnellen Aufladung über den zweiten Ladepfad eine Symmetrierung der einzelnen Zellen über den ersten Ladepfad erfolgen.
Die Schaltungsanordnung mit dem ersten und dem zweiten Ladepfad eignet sich insbesondere zur Integration in ein Gehäuse der einzelnen Zellen oder des gesamten Energiespeichers.
Als Energiespeicher eignen sich hier insbesondere Doppelschichtkondensatoren, die auch Super- oder Ultracaps genannt werden, Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkumulatoren.
Anhand von schematischen Zeichnungen werden im Folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer prinzipiellen Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich von Zellen eines Energiespeichers,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ladeschaltung,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ladeschaltung und
4 ein Ausführungsbeispiel einer Ladeschaltung mit einem Flyback-Konverter.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer prinzipiellen Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich von Zellen eines Energiespeichers, beispielsweise eines Doppelschichtkondensators DLC. Durch einen ersten Wandler 1 wird eine Gleichspannung erzeugt, die über einen zweiten Wandler 2 mit einer Pulsfrequenz von beispielsweise 50 kHz wechselgerichtet wird. In dieser Wechselspannung wird ein Wechselspannungsbus (AC-Bus) 4 beaufschlagt. Als Bus wird hier ein System von Leitern, insbesondere Kabeln und Kupferschienen, bezeichnet. An diesen AC-Bus 4 sind über Koppelkondensatoren C_k und Gleichrichter die in Reihe geschalteten Zellen Z₁ bis Z_n des Doppelschichtkondensators DLC angeschlossen.
Der erste Wandler kann hier entweder von einem Akkumulator B oder dem Doppelschichtkondensator DLC selbst mit Energie versorgt werden.
Die Ladung des Doppelschichtkondensators DLC kann hier über einen ersten Ladepfad, der den Wechselspannungswandler 2, den Koppelkondensator C_k und den Gleichrichter 3 aufweist, aufgeladen werden. Das Grundprinzip des ersten Ladepfads mit der dazugehörigen Ladungsausgleichsschaltung ist in der Druckschrift WO 2006/000471 A1 ausführlich beschrieben, die hiermit vollumfänglich zum Bestandteil der Anmeldung gemacht wird.
Alternativ können mehrere Zellen oder auch der gesamte Zellstapel über einen zweiten Ladepfad aufgeladen werden. Dieser Ladepfad weite eine Diode D_L auf, die den Ausgang des ersten Wandlers 1 mit einem Anschluss 6 des Doppelschichtkondensators DLC verbindet. Über diesen Anschluss 6 können zumindest zwei in Reihe geschaltete Zellen Z mit Energie versorgt werden. Die Diode D_L ist vom ersten Wandler 1 zum Doppelschichtkondensator DLC hin in Durchflussrichtung gepolt.
Über den zweiten Ladepfad fließt der maximal einstellbare Strom des ersten Wandlers 1 über die einzige Diode D_L in die in Reihe geschalteten Zellen des Energiespeichers und wird in diesem Fall nicht durch eine Wechselrichtung, eine Übertragung und anschließende Gleichrichtung aufgeteilt. Auf diese Weise kann die für die Ladung benötigte Zeitdauer erheblich reduziert werden.
Spannungsdifferenzen zwischen den einzelnen Zellen des Energiespeichers DLC können – falls erforderlich – anschließend über den ersten Ladepfad ausgeglichen werden. Der erste Wandler 1 kann hierzu sowohl von dem Akkumulator B als auch vom Doppelschichtkondensator DLC selbst gespeist werden. Der erste Wandler weist einen Eingang st₁ auf, über den die die Entsprechende Energiequelle B oder DLC auswählbar ist.
Weiter weist der zweite Wandler 2 ebenfalls einen Eingang st₂ auf, über den dieser Wandler 2 aus- und eingeschaltet werden kann. Im ausgeschalteten Zustand fließt der Ausgangsstrom des ersten Wandlers 1 ausschließlich über den zweiten Ladepfad.
Die Steuersignale st₁ und st₂ werden von einer Steuereinheit 5 in Abhängigkeit von Parametern P erzeugt. Als Parameter P kommen beispielsweise die einzelnen Zellspannungen, das Mittel aller Zellspannungen, die Gesamtspannung des Energiespeichers oder auch Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs in Frage.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich von Zellen Z₁ bis Z_n eines Energiespeichers, hier beispielsweise wieder eines Doppelschichtkondensators DLC.
Auch die Schaltungsanordnung gemäß 2 weist wieder zwei Ladepfade auf, zum einen den ersten Ladepfad über den Wechselspannungsbus 4 und zum anderen den zweiten Ladepfad über die Diode D_L.
Das in 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich von Zellen Z₁ bis Z_n eines Energiespeichers, insbesondere eines Doppelschichtkondensators DLC, weist eine Reihenschaltung der einzelnen Zellen Z₁ bis Z_n auf. Die über der Reihenschaltung der Zellen Z₁ bis Z_n abfallende Spannung U_DLC wird einem Gleichspannungswandler 1, insbesondere einem stromgeregelten Tiefsetzsteller, über einen ersten Schalter S1 zugeführt. Über einen zweiten Schalter S2 kann zusätzlich oder alternativ eine Energiequelle, beispielsweise ein Akkumulator B, mit dem Gleichspannungswandler 1 verbunden werden. Der Gleichspannungswandler 1 ist wiederum mit einem Eingang eines Wechselspannungswandlers 2 elektrisch verbunden, der in diesem Ausführungsbeispiel einen Zwischenkreiskondensator C_Z und zwei als Halbbrücke geschaltete Transistoren T1 und T2 aufweist. Der Zwischenkreiskondensator C_Z kann entweder vom Doppelschichtkondensator DLC über den Schalter S1 oder von dem Akkumulator B über den Schalter S2 aufgeladen werden. Der zwischen den beiden Transistoren T1 und T2 liegende Ausgang dieses Wechselspannungswandlers 2 ist mit dem Wechselspannungsbus 4 elektrisch verbunden. Der Wechselspannungsbus 4 weist wiederum jeweils einen Koppelkondensator C_K1 bis C_Kn, für die ihm zugeordneten Zellen Z₁ bis Z_n auf.
Zwischen jedem Koppelkondensator C_Kx(x=1..n) und der ihm zugeordneten Zelle Z_x ist ein Gleichrichter 3 angeordnet, der hier jeweils zwei Dioden D_xa, D_xb aufweist. Die Dioden D_xa verbinden jeweils den dem Wechselspannungsbus 4 abgewandten Anschluss des Koppelkondensators C_Kx mit dem das höhere Potenti al aufweisenden Anschluss (positiver Anschluss) der zugeordneten Zelle Z_x, und die Diode D_xb verbindet diesen Anschluss des Koppelkondensators C_Kx mit dem das niedrigere Potential aufweisenden Anschluss (negativer Anschluss) die zugeordneten Zelle Z_x.
Hierbei ist die Diode D_xa vom Koppelkondensator C_Kx zum positiven Anschluss der Zelle Z_x hin in Durchflussrichtung gepolt, während die Diode D_xb vom negativen Anschluss der Zelle Z_x zum Koppelkondensator C_Kx hin in Durchflussrichtung gepolt ist.
Der in diesem ersten Ausführungsbeispiel aus einer Halbbrücke T1, T2 bestehende Wechselspannungswandler 2 liefert an seinen zwischen den beiden Transistoren T1 und T2 liegenden Ausgang eine rechteckförmige Wechselspannung, die durch die Koppelkondensatoren C_K1 bis C_Kn zu den einzelnen Zellen Z₁ bis Z_n übertragen werden kann.
Für die Koppelkondensatoren C_K können verschiedene Kondensatorentypen Verwendung finden. Allerdings müssen Kapazität, Frequenz und der innere Verlustwiderstand der Kondensatoren miteinander abgestimmt werden. Eine Fehlabstimmung würde zu einer zu großen Umladung der Koppelkondensatoren führen und somit die Selektivität und Trennschärfe der Ausgleichsschaltung nachhaltig verschlechtern.
Über den jeweiligen Gleichrichter 3 wird der Strom wieder gleichgerichtet und der jeweiligen Zelle Zx als Ladestrom zugeführt.
Um einen Ladungsausgleich an den in Reihe geschalteten Zellen Z₁ bis Z_n des Energiespeichers erreichen zu können, muss derjenigen Zelle, die die höchste Spannung aufweist, Energie entnommen und der Zelle Z_x, über der die geringste Spannung abfällt, diese wieder zugeführt werden, so dass die Zelle Z_x mit der geringsten Spannung geladen wird. Dieser Vorgang des Ladens über den ersten Ladepfad, der Ladungsausgleichs, wird beispielhaft für die Zelle Z_x erklärt, die in diesem Ausfüh rungsbeispiel die niedrigste Zellenspannung U_Zx aufweist. Der Koppelkondensator C_Kx wird in der negativen Phase des Wechselspannungssignals (Transistor T2 stromleitend) durch die untere Diode D_xb auf das untere Potential (am negativen Anschluss) der Zelle Z_x – abzüglich der Durchlassspannung der Diode D_xb – geladen.
Wenn das Wechselspannungsignal das Potential anschließend ausreichend weit anhebt (Transistor T1, stromleitend), so fließt Strom vom Zwischenkreiskondensator C_Z über den Transistor T1, den Wechselspannungsbus 4, den Koppelkondensator C_Kx und die Diode D_xa durch die Zelle Z_x und alle Zellen, deren positiver Anschluss ein gegen das Bezugspotential GND geringeres Potential als der positive Anschluss der zu ladenden Zelle Z_x aufweisen, hier also die Zellen Z_x+1 bis Z_n und von dort zurück zum Zwischenkreiskondensator C_Z.
In der folgenden negativen Phase des Wechselspannungssignals (Transistor T2 wieder stromleitend) fließt der Strom in umgekehrter Richtung durch die Zellen, deren positiver Anschluss ein gegen das Bezugspotential GND geringeres Potential als der positive Anschluss der zu ladenden Zelle Z_x aufweisen, also die Zellen Z_n bis Z_x+1 und jetzt durch die Diode D_xb und den Koppelkondensator C_Kx. Der Stromkreis schließt sich über den Wechselspannungsbus und den stromleitenden Transistor T2.
In der Zelle Z_x stellt sich dadurch ein pulsierender Ladegleichstrom ein, während alle Zellen Z_x+1 bis Z_n, deren positiver Anschlusse ein geringeres Potential gegen Bezugspotential GND aufweisen, einen Wechselstrom erfahren.
Der pulsierende Gleichstrom kann nur in die Zelle Z_x mit der geringsten Zellenspannung U_Zx fließen und lädt dann diese Zelle als erste so lange auf, bis diese Zelle Z_x die nächsthöhere Zellenspannung der übrigen Zellen erreicht hat. Der pulsierende Gleichstrom teilt sich dann auf diese beiden Zellen auf, bis diese wiederum die nächsthöhere Zellenspannung erreicht haben. Auf diese Weise wird ein Ladungsausgleich des gesamten Kondensatorstapels, d. h. aller Zellen des Energiespeichers DLC, erreicht.
Die Energie, mit welcher die jeweilige Zelle Z_x des Energiespeichers DLC geladen wird, kommt aus dem Zwischenkreiskondensator C_Z, der sich durch diese Belastung einerseits und die konstante Nachladung andererseits auf eine geeignete Spannung U_CZ selbständig einstellt. Dabei ergibt sich auch automatisch, dass die Zelle Z_x, an der die geringste Spannung abfällt, die meiste Energie übertragen bekommt, während Zellen, an denen momentan eine höhere Zellenspannung abfällt, gar keine Energie übertragen bekommen.
Liegt nun der Fall vor, dass der gesamte Energiespeicher DLC ungeladen ist oder sich entladen hat, so würde eine Ladung des Energiespeichers DLC über den ersten Ladepfad, d.h. den Wechselspannungswandler 2, den Wechselspannungsbus 4, den Koppelkondensator C_k und den Gleichrichter 3, eine erhebliche Zeitdauer in Anspruch nehmen. Hier kommt nun der zweite Ladepfad über die Diode D_L zum Einsatz. Die Diode D_L ist einerseits mit dem dem Wechselspannungswandler 2 zugewandten Ausgang des Gleichspannungswandlers 1 verbunden. Andererseits ist die Diode D_L mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers DLC verbunden, so dass über den zweiten Ladepfad mehrere, insbesondere – wie hier dargestellt – alle in Reihe geschalteten Zellen Z₁ bis Z_n geladen werden können. Die Diode D_L ist hierbei vom Ausgang des Gleichspannungswandlers 1 hin zum positiven Anschluss des Energiespeichers DLC in Durchflussrichtung gepolt.
Tritt nun der eingangs beschriebene Fall ein, so wird über eine Steuereinheit ST (s. 1) sowohl der Transistor T1, als auch der Transistor T2 ausgeschaltet, so dass der Gleichspannungswandler 1 alle Zellen des Energiespeichers aufladen kann. Hierfür kann der Gleichspannungswandler 1 so angesteuert werden, dass den Energiespeicher mit seinem maximal einstellbaren Strom auflädt. Wird der Zellstapel – z.B. mit 24 Einzelzellen – über die Diode D_L beispielsweise mit einem Strom 4A auf eine Spannung von 13 V geladen, so bedeutet dies eine Ladezeit von t = 13V:24 × 1800F:4A = 4 Minuten. Um den Zellstapel nun vollständig auf seine Nennspannung von 15 V aufzuladen, wird analog zur obigen Rechnung eine zusätzliche Ladedauer von 15 Minuten über den ersten Ladepfad benötigt. Der gesamte Zellstapel wird somit in 19 Minuten vollständig aufgeladen. Eine solche Ladezeit ist für die Erstinbetriebnahme oder den Austausch des Energiespeichers akzeptabel.
Über den zweiten Ladepfad wird durch den Gleichspannungswandler 1 dem Akkumulator B Energie entnommen und dem Energiespeicher DLC in Summe zugeführt.
Hierfür ist es nicht erforderlich, die Komponenten des Gleichspannungswandlers 1 zu verändern, da die Ströme im Vergleich zum herkömmlichen Betrieb der Ausgleichsschaltung – Ladung oder Ladungsausgleich über den ersten Ladepfad – nicht verändert werden. Hierbei ergibt sich die erhöhte Ausgangsleistung des Gleichspannungswandlers 1 aus der höheren Ausgangsspannung desselben. Um den zweiten Ladepfad in Betrieb zu nehmen, genügt es, die Transistoren T₁ und T₂ der Halbbrücke des Wechselspannungswandlers 2 auszuschalten. So kann auf einfache Weise durch Ergänzung eines einzigen Bauteils, der Diode D_L, die Aufladung des Energiespeichers DLC erheblich beschleunigt werden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die einen Wechselspannungswandler 2 mit einer Vollbrücke und einen (Graetz-Gleichrichter) in einer Zwei-Phasen-Variante aufweist. Auch hier sei die Zelle Z_x wieder diejenige mit der niedrigsten Zellenspannung U_Zx.
Funktionsidentische Teile tragen hier die gleichen Bezugszeichen wie in 2.
Der erste Ladepfad weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Phasen auf. Dieser arbeitet ähnlich wie die Schaltung des zuvor beschriebenen und in 2 dargestellten Ausführungs beispiels mit einer Halbbrücke und einer Phase. Der zweiphasige Wechselspannungswandler 2 gemäß 3 weist jedoch gewisse Vorteile auf, die den Mehraufwand jedoch je nach Anwendungsfall überwiegen.
Der Wechselspannungswandler 2 weist hier eine Vollbrückenschaltung mit zwei Halbbrücken auf. Die erste Halbbrücke weist einen ersten und einen zweiten Transistor T1, T2 und die zweite Halbbrücke einen dritten und einen vierten Transistor T3 und T4 auf. Die Ausgänge der beiden Halbbrücken sind jeweils mit einer Busleitung 4.1 bzw. 4.2 verbunden. Jede Busleitung 4.1, 4.2 wird über die ihr zugeordnete Halbbrücke mit Energie versorgt.
Die Busleitung 4.1 ist über jeweils einen Koppelkondensator T_kla bis C_Kna, und eine Gleichrichterschaltung aus jeweils zwei Dioden D_1a, D_1b bis D_na, D_nb, mit den in Reihe geschalteten Zellen Z₁ bis Z_n verbunden. Die Busleitung 4.2 ist ebenfalls über jeweils einen Koppelkondensator C_K1b, bis C_Knb, und eine Gleichrichterschaltung aus jeweils zwei Dioden D_1c, D_1d bis D_nc, D_nd mit den in Reihe geschalteten Zellen Z₁, Z_n verbunden.
Wieder am Beispiel der Zelle Z_x beschrieben bedeutet dies, dass die mit der Halbbrücke T1, T2 verbundene Busleitung 4.1 über den Koppelkondensator C_Kxa einerseits über die zur Zelle hin stromleitenden Diode D_xa mit dem positiven Anschluss der Zelle Z_x verbunden ist und andererseits über die zum Koppelkondensator hin stromleitende Diode D_xb mit dem negativen Anschluss der Zelle Z_x verbunden ist. Zusätzlich ist die mit der Halbbrücke T3, T4 verbundene Busleitung 4.2 über den Koppelkondensator C_Kxb einerseits über die zur Zelle hin stromleitende Diode D_xc mit dem positiven Anschluss der Zelle Z_x verbunden und andererseits über die zum Koppelkondensator C_Kxb hin stromleitende Diode D_xb mit dem negativen Anschluss der Zelle Z_x verbunden.
Die beiden Gleichrichter D_xa, D_xb und D_xc, D_xd arbeiten also parallel auf die Zelle Z_x. Die Schaltungsanordnung ist für die übrigen Zellen funktionsidentisch realisiert. Ein wesent licher Vorteil bei zwei Phasen ist hierbei, dass der Wechselstrom durch die eigentlich unbeteiligten Zellen, die momentan nicht geladen werden, d. h. alle Zellen, deren positiver Anschluss ein gegen Bezugspotential GND geringeres Potential, aber eine höhere Zellenspannung U_Z als die Zelle Z_x aufweisen (hier also alle übrigen Zellen) entfällt.
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel arbeiten die beiden Halbbrücken gegenphasig, d. h. wenn die Transistoren T1 und T4 in der ersten Phase stromleitend sind, so sind die Transistoren T2 und T3 nichtleitend. In der zweiten Phase ist es umgekehrt, hier sind die Transistoren T2 und T3 stromleitend, während die Transistoren T1 und T4 nichtleitend sind.
Für das zweite Ausführungsbeispiel ist ebenfalls wieder ein zweiter Ladepfad über eine Diode D_L vorgesehen. Diese ist zum einen mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 1 und zum anderen mit dem Anschluss des Zellstapels verbunden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann wieder der gesamte Zellstapel über die Diode D_L – für den Fall, dass beide Halbbrücken ausgeschaltet sind – direkt über den Gleichspannungswandler 1 aufgeladen werden. Die Symmetrierung bzw. Nachladung kann entsprechend über den ersten Ladepfad, hier den zweiphasigen Wechselspannungsbus 4.1, 4.2, erfolgen.
Für die Dimensionierung der Diode D_L ist ausschließlich von Bedeutung, dass die Diode D_L die Spannung UDLC des Energiespeichers sperren können und den Ladestrom tragen können muss. Hierfür kommen herkömmliche Leistungsdioden in Frage. Weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass die Komponenten der Schaltungsanordnung günstiger ausgelegt werden können, da der Tiefsitzstelle an sich durch seinen Strom definiert wird.
4a und 4b zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines als Flyback-Konverters ausgeführten Gleichspannungswandlers 1. 4a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Flyback-Konverters, bei dem sowohl die Eingangsals auch die Ausgangsseite eines Speichertransformators jeweils eine Wicklung aufweist. Hierbei ist der Akkumulator B mit einer Serienschaltung der Primärwicklung L1 und einem Transistor T₁₁ verbunden. Ausgangsseitig ist eine Sekundärwicklung L2 angeordnet, die mit dem Wechselspannungswandler 2 entsprechend den 2 und 3 elektrisch verbunden ist. Der Transistor T₁₁ arbeitet hier als Schalter, der mittels einer pulsweitenmodulierten Steuerspannung ein- und ausgeschaltet wird. Während der Transistor T₁₁ eingeschaltet ist, ist die Spannung über der Primärwicklung L₁ gleich der Eingangsspannung U_B und der Strom I_L1 steigt linear an. Während dieser Phase wird Energie in den Speichertransformator geladen. Die Sekundärwicklung L2 ist in dieser Phase stromlos, da die Diode D_S2 sperrt. Wird der Transistor T₁₁ nun gesperrt, so wird der Stromfluss durch die Primärwicklung L₁ unterbrochen und die Spannungen am Transformator polen sich aufgrund des Induktionsgesetzes um. Die Diode D_S2 wird nun leitend und die Sekundärwicklung L₂ gibt die Energie über die Ausgangsanschlüsse der Sekundärseite ab.
4b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Flyback-Konverters mit einem Speichertranformator; der sekundärseitig zwei Sekundärwicklungen L₂₁ und L₂₂ aufweist. Die erste Sekundärwicklung L₂₁ versorgt wie im Ausführungsbeispiel gemäß 4a den Wechelspannungswandler 2 mit Energie. Die zweite Sekundärwicklung L₂₂ versorgt einzelne Untergruppen von Zellen oder auch den gesamten Zellstapel mit Energie. In diesem Ausführungsbeispiel ist im Stromkreis der zweiten Sekundärwicklung L22 ein Schalter S3 vorgesehen, durch den die Ladung des Zellstapels über den zweiten Ladepfad ein- oder ausgeschaltet werden kann.
Über diese zweite Wicklung L₂₂ kann eine im Vergleich zur Akkumulatorspannung höhere Spannung bereitgestellt werden. So kann der Energiespeicher auch ohne Zurrhilfenahme des ersten Ladepfads vollständig aufgeladen werden. Die Ladezeit wird hierdurch nochmals erheblich verringert.
Der Einsatz eines Flybackkonverters als Gleichspannungswandler bringt weitere Vorteile mit sich, so kann beispielsweise das Tastverhältnis für die Verwendung der Ladungsausgleichs schaltung günstiger gewählt werden, als bei einem herkömmlichen Tiefsetzsteller, der aus einer Gesamtspannung des Energiespeichers U_DLC von beispielsweise 60 V eine Zellspannung U_Zx von beispielsweise 2,5 V bereitstellen muss.

Claims

Vorrichtung zum Laden von in Reihe angeordneten einzelnen Zellen (Z₁ bis Z_n) eines Energiespeichers (DLC), wobei ein Gleichspannungswandler (1) vorgesehen ist, der mit einem Energiespeicher (DLC, B) verbindbar ist, wobei ein dem DC/DC-Wandler (1) nachgeschalteter Wechselspannungswandler (2) vorgesehen ist, der einen Zwischenkreiskondensator (C_Z) und eine Brückenschaltung (T₁, T₂; T₁ bis T₄) aufweist, wobei wenigstens ein dem Wechselspannungswandler (2) nachgeschalteter Wechselspannungsbus (4; 4.1, 4.2) vorgesehen ist, wobei zwischen jeder Zelle (Z₁ bis Z_n) und jedem Wechselspannungsbus (4; 4.1, 4.2) eine Reihenschaltung wenigstens eines Koppelelements (C_K1 bis C_Kn, C_K1a und C_K1b, bis C_Kna und C_Knb) und eines Gleichrichters (3) angeordnet ist, wobei der Wechselspannungsbus (4; 4.1, 4.2) in Verbindung mit dem Koppelement (C_K1 bis C_Kn, C_K1a und C_K1b bis C_Kna und C_Knb) und dem Gleichrichter (3) einen ersten Ladepfad bildet, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Ladepfad vorgesehen ist, über den der dem Wechselspannungswandler (2) zugewandte Anschluss des Gleichspannungswandlers (1) mit einer Reihenschaltung von zumindest zwei Zellen (Z₁ bis Z_n) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ladepfad eine Diode (D_L) aufweist, deren Flussrichtung vom Ausgang des Gleichspannungswandlers (1) in Richtung des Anschlusses des Energiespeichers (DLC) gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Koppelelement um ein induktives Koppelelement oder ein kapazitives Koppelelement (C_K) handelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit (5) aufweist, über die der erste oder der zweite Ladepfad aktiviert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, die Auswahl des jeweiligen Ladepfades aufgrund eines Parameters erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine über dem Energiespeicher (DLC) abfallende elektrischen Spannung (U_DLC), eine Zellspannung (U_Z), das Mittel mehrerer Zellspannungen (U_Z) und/oder ein Betriebsparameter eines Kraftfahrzeugs ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusammen mit dem Energiespeichers (DLC) in einem Gehäuse angeordnet ist.
Verfahren zum Laden von in Reihe angeordneten einzelnen Zellen (Z₁ bis Z_n) eines Energiespeichers (DLC), dadurch gekennzeichnet, – dass der Energiespeicher (DLC) in Abhängigkeit von einem Parameter über einen ersten oder einen zweiten Ladepfad geladen wird, – dass bei Auswahl des ersten Ladepfads (4, 4.1, 4.2; C_K1 bis C_Kn, C_K1a und C_K1b bis C_Knb und C_Knb) die Ladung über eine Wechselspannung (4; 4.1, 4.2) erfolgt, und der Zelle (Z_x) mit der geringsten Zellenspan nung (U_Zx) ein gleichgerichteter, pulsierender Ladestrom zuführt, und – dass bei Auswahl des zweiten Ladepfads die Ladung einer Reihenschaltung von zumindest zwei, insbesondere aller Zellen (Z₁ bis Z_n) des Energiespeichers (DLC) mit einer Gleichspannung erfolgt und den in Reihe geschalteten Zellen (Z₁ bis Z_n) ein Gleichstrom zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine über dem Energiespeicher (DLC) abfallende elektrischen Spannung (UDLC), eine Zellspannung (UZ), das Mittel mehrerer Zellspannungen (UZ) und/oder ein Betriebsparameter eines Kraftfahrzeugs ist.