DE102007027902A1

DE102007027902A1 - Battery pack with changeover for high current operation

Info

Publication number: DE102007027902A1
Application number: DE102007027902A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kohlrausch; Mario Roessler; Hartmut Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2008-12-24
Also published as: WO2008155209A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit mehreren Batterieanschlüssen und einem Anschlussklemmenpaar, wobei die Batterieanschlüsse und das Anschlussklemmenpaar jeweils einen Pluspol und einen Minuspol aufweisen, die Schaltung zum wählbaren Verbinden der Batterieanschlüsse mit dem Anschlussklemmenpaar vorgesehen ist. Die Schaltung weist Schaltelemente auf, die mindestens zwei Untergruppen der Batterieanschlüsse wahlweise in Serie oder in Parallelschaltung zu mindestens einer Gruppe miteinander verbinden und diese mindestens eine Gruppe mit dem Anschlussklemmenpaar verbindet.The invention relates to a circuit having a plurality of battery terminals and a pair of terminals, wherein the battery terminals and the terminal pair each having a positive pole and a negative terminal, the circuit is provided for selectively connecting the battery terminals with the terminal pair. The circuit has switching elements which connect at least two sub-groups of the battery terminals, optionally in series or in parallel with at least one group, and which connects at least one group to the terminal pair.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Verbinden von einzelnen Batteriezellen.The The invention relates to a circuit for connecting individual battery cells.

Zum kabellosen Betrieb von Verbrauchern, beispielsweise Elektrowerkzeugen, werden Batteriezellen zusammengeschaltet. Hierbei werden Einzelzellen entweder parallel oder in Reihe oder sowohl in Reihe wie auch parallel miteinander verschaltet. Die Verschaltung bestimmt die abgegebene Spannung sowie den maximal zulässigen Strom.To the wireless operation of consumers, such as power tools, Battery cells are interconnected. This will be single cells either parallel or in series or both in series and in parallel interconnected with each other. The interconnection determines the delivered one Voltage and the maximum permissible current.

Elektrische Verbraucher werden üblicherweise mit konstanter Spannung versorgt und in einem vorher bestimmten Spannungsintervall betrieben, wobei zum Erreichen der Nennspannung Batteriezellen seriell miteinander verschaltet werden. Jedoch werden in Seriellschaltungen Batteriezellen mit geringerem Ladezustand anders belastet als Batteriezellen mit hohem Ladezustand, so dass sich die Ladezustände der einzelnen Zellen unterscheiden und im Laufe des Betriebs auseinanderdriften können.electrical Consumers are usually at constant voltage powered and operated in a predetermined voltage interval, wherein to reach the nominal voltage battery cells serially with each other be interconnected. However, in serial circuits, battery cells become with a lower charge state loaded differently than battery cells with high state of charge, so that the charge states of each Differentiate cells and drift apart during operation can.

In der Druckschrift DE 10 2004 032 535 A1 werden einzelne Zellen in Parallelgruppen geschaltet, wobei die Parallelgruppen in Serie zusammengefasst werden. Die Zusammenschaltung der einzelnen Batteriezellen ist fest verdrahtet und kann nicht von außen verändert werden.In the publication DE 10 2004 032 535 A1 Individual cells are switched into parallel groups, whereby the parallel groups are combined in series. The interconnection of the individual battery cells is hardwired and can not be changed from the outside.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung lassen sich durch einfache Umschaltung verschiedene Betriebsmodi von zusammengeschalteten Batterien erreichen. Zum Einen kann dem Ladezustand der Batterien Rechnung getragen werden, und zum Anderen kann ein gewünschter Betriebsmodus eines Verbrauchers einfach angewählt werden. Falls ein Verbraucher versorgt wird, der nicht notwendigerweise mit einer konstanten Spannung versorgt werden muss, wie etwa Elektronikprodukte, so kann die am Verbraucher anlie gende Spannung und der maximal zulässige Strom mittels der erfindungsgemäßen Schaltung eingestellt werden. Insbesondere Verbraucher wie ohmsche Verbraucher (Lichterzeuger, Heizelemente usw.) oder induktive Verbraucher (Elektromotoren in Bohrmaschinen, Staubsauger, Pumpen usw.), die kabellos mittels tragbarer Batterien versorgt werden, können somit hinsichtlich eines Arbeitspunktes eingestellt werden. Somit lassen sich beispielsweise ein bei einem Elektromotor ein Modus mit hoher Drehzahl und niedriegen Drehmoment sowie ein Modus mit langsamer Drehzahl und hohen Drehmonent realisieren.With the circuit according to the invention can be achieved easy switching different operating modes of interconnected Reach batteries. For one, the state of charge of the batteries On the other hand, a desired Operating mode of a consumer can be easily selected. If a consumer is supplied, not necessarily must be supplied with a constant voltage, such as electronic products, Thus, the voltage applied to the consumer and the maximum permissible voltage Current by means of the circuit according to the invention be set. In particular consumers like ohmic consumers (Light generator, heating elements, etc.) or inductive consumers (electric motors in drills, vacuum cleaners, pumps, etc.), wirelessly using portable batteries can thus be in terms of of an operating point. Thus, for example a high-speed and low-speed mode in an electric motor Torque as well as a mode with slow speed and high torque realize.

Insbesondere Akku-Bohrmaschinen oder Akku-Schrauber können mittels der erfindungsgemäßen Schaltung in zwei verschiedenen Betriebsmodi arbeiten, ohne dass zum Umschalten ein Getriebe notwendig wäre wie es bislang der Fall war. Ein erster Betriebsmodus entspricht dem langsamen Modus, d. h. einer geringen Drehzahl bei hohem Drehmoment, die einer Parallelschaltung von Batteriezellen entspricht, mit der sich eine geringe Spannung (und folglich eine geringe Drehzahl) bei einem hohen Strom (und folglich einem hohen Drehmoment) realisieren lässt. Werden die Batteriezellen mit der erfindungsgemäßen Schaltung in Serie zusammengeschaltet, ergibt sich ein zweiter Betriebsmodus mit hoher Drehzahl und geringem Drehmoment (durch den höheren Innenwiderstand der Stromversorgung sowie des maximal zulässigen Stromes pro Batteriezelle), die sich aus der hohen Gesamtspannung und geringem Strom ergibt. Somit lassen sich die Drehzahlkennfelder eines langsamen und eines schnellen Betriebsmodus anstatt mit einem Getriebe mittels der erfindungsgemäßen Schaltung erreichen. Ähnliche Auswahlmöglichkeiten ergeben sich auch bei anderen Verbrauchern mit verschiedenen Arbeitspunkten, beispielsweise ohmschen Verbrauchern wie einer Taschenlampe mit mehreren hinzuschaltbaren Lichterzeugungselementen, deren Aktivierung vom gewünschten Betriebsmodus abhängt.Especially Cordless drills or cordless screwdrivers can by means of inventive circuit in two different Operating modes work without requiring a gearbox to toggle would be as it was the case so far. A first mode of operation corresponds to the slow mode, d. H. a low speed high torque, the parallel connection of battery cells corresponds to a low voltage (and consequently a Low speed) at a high current (and consequently a high Torque) can be realized. Will the battery cells connected in series with the circuit according to the invention results a second operating mode with high speed and low torque (due to the higher internal resistance of the power supply and the maximum permissible current per battery cell), the resulting from the high total voltage and low current. Consequently can be the speed maps of a slow and a fast Operating mode instead of a transmission by means of the invention Reach the circuit. Similar choices also result in other consumers with different operating points, for example Ohmic consumers like a flashlight with several hinzuschaltbaren Light generating elements whose activation of the desired Operating mode depends.

Da ferner, wie bereits oben beschrieben, es in Seriellschaltung zu einem Auseinanderdriften der Ladungszustände der einzlenen Batteriezellen kommen kann, ermöglicht die Parallelschaltung einen Ausgleich des Ladungszustands, so dass sich nach Wählen der Parallelschaltung, unabhängig von angeschlossenen Verbrauchern, für alle zusammengeschalteten Zellen der gleiche oder ein ähnlicher Ladungszustand ergibt. Dadurch lässt sich eine Balancierung erreichen. Dieses ist insbesondere wichtig, wenn die einzelnen Batterien aufgeladen werden, da mittels der erfindungsgemäßen Parallelschaltung vor dem Laden alle Batteriezellen auf den gleichen Ladungszustand gebracht werden und somit einheitlich geladen werden können. Gleichzeitig ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltung, die Batteriezellen vor und nach dem Aufladen wieder in Serie zu schalten, um beispielsweise eine hohe Spannung an den Anschlussklemmen zu erreichen. Ferner kann durch Umschaltung von Serien- auf Parallelschaltung gegen Ende des Ladeprozesses oder während eines letzten Ladeabschnitts ein homogener Ladezustand bei hohem Ladestrom und somit bei verkürzter Ladedauer erreicht werden.There furthermore, as already described above, it is connected in series a drifting apart of the charge states of the individual Battery cells can come, allows parallel connection a balance of the charge state, so that after selecting the parallel connection, independent of connected consumers, the same or a similar one for all interconnected cells Charge state results. This allows a balance to reach. This is especially important if the individual batteries be charged because by means of the invention Parallel connection before charging all the battery cells to the same Charge state are brought and thus uniformly charged can. At the same time allows the invention Circuit, the battery cells before and after charging back in Series, for example, a high voltage at the terminals to reach. Furthermore, by switching from serial to parallel connection towards the end of the charging process or during a last loading section a homogeneous state of charge with high charging current and thus with shortened Charging time can be achieved.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept besteht darin, dieselben Batteriezellen wahlweise in Serie oder in Parallelschaltung mittels Schalter miteinander zu verbinden. Durch Anwählen der Schalterstellung der Schalter kann somit die oben beschriebene Wirkung erreicht werden, so dass das Auswählen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der zusammengeschalteten Batterien ausgewählt werden kann. Vorzugsweise werden alle Schalter einheitlich, vorzugsweise zentral angesteuert.The concept underlying the invention is to connect the same battery cells either in series or in parallel by means of switches. By selecting the switch position of the switch can thus be achieved the above-described effect, so that the selection of the output voltage and the off can be selected gangsstroms the interconnected batteries. Preferably, all switches are controlled uniformly, preferably centrally.

Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst somit mehrere Batterieanschlüsse, an die die einzelnen Batterien angeschlossen werden können. Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst Schaltungen, die die Batterieanschlüsse miteinander wählbar verbinden, so dass sich in einer ersten Schalterstellung aller Schaltelemente eine Parallelschaltung und in einer zweiten Schalterstellung aller Schaltelemente eine Schaltung in Serie ergibt. Ein Batterieanschluss umfasst jeweils einen Plus- und einen Minuspol, an den der jeweilige Plus- und Minuspol einer Batterie angeschlossen werden kann. Die Batterieanschlüsse können einzeln mittels Schalter ausgewählt werden, so dass die anschließbaren Batterien einzeln als Seriell- oder Parallelelement in die Gesamtschaltung eingehen. Ferner ist der Zusammenschluss einzelner Untergruppen von Batterien möglich, wobei eine Untergruppe aus einer Einzelbatterie, einem Batteriepaar, einer Anzahl an Batterien, die kleiner als die Hälfte aller Batterien ist, oder die Hälfte aller Batterien sein kann. Falls eine Untergruppe keine einzelne Batterie ist, sondern aus mehreren Batterien besteht, sind diese bereits vorab miteinander verdrahtet, beispielsweise als Seriellschaltung oder als Parallelschaltung. Diese Untergruppen gehen als Ganzes in die wählbare Seriell- oder Parallelschaltung ein, wohingegen die Zusammenschaltung aller Batteriezellen innerhalb einer Untergruppe vorzugsweise fest verdrahtet ist oder mittels Elementen verbunden ist, die nicht von außen steuerbar sind, wie es beispielsweise bei vorkonfigurierten Batteriepacks der Fall ist.The The circuit according to the invention thus comprises several Battery connections to which the individual batteries are connected can be. The circuit according to the invention includes circuits that connect the battery connections with each other connect selectable, so that in a first switch position all Switching elements a parallel connection and in a second switch position all switching elements results in a circuit in series. A battery connector includes one plus and one minus pole to which the respective positive and negative pole of a battery can be connected. The battery connections can can be individually selected by means of switches, so that the connectable batteries individually as a serial or parallel element go into the overall circuit. Furthermore, the merger is individual subgroups of batteries possible, with a Subgroup of a single battery, a pair of batteries, one Number of batteries smaller than half of all batteries is, or can be half of all batteries. If one Subgroup is not a single battery, but from several batteries exists, these are already wired together in advance, for example as a serial circuit or as a parallel connection. These subgroups go as a whole in the selectable serial or parallel circuit whereas, the interconnection of all battery cells within a subgroup is preferably hardwired or means Connected to elements that are not externally controllable are, as with preconfigured battery packs the case is.

Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst ferner ein Anschlussklemmenpaar, das die Schnittstelle der erfindungsgemäß kombinierten Batterieanschlüsse bzw. Batterien nach außen, d. h. zum Versorger hin darstellt. Ferner kann an das Anschlussklemmenpaar eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle angeschlossen werden, um die an die Batterieanschlüsse anschließbaren Batterien aufzuladen. Vorzugsweise werden alle Batterieanschlüsse der Schaltung zu einer gemeinsamen Gruppe miteinander verbunden, wobei dies jedoch auch nur für einen Teil aller Batterieanschlüsse der Schaltung der Fall sein kann. Die so kombinierte Gruppe an Batterieanschlüssen umfasst somit die Kombination aller Spannungen der Batterieanschlüsse, falls die Schalterstellung der Schalter derart ausge wählt ist, dass sich eine Serienschaltung der Batterieanschlüsse ergibt. In gleicher Weise umfasst die Gruppe in Parallelschaltung die jeweils angeschlossenen Batterieanschlüsse bzw. Untergruppen von Batterieanschlüssen, die hinsichtlich ihres Stroms miteinander kombiniert werden, wodurch sich eine Stromaddition ergibt.The A circuit according to the invention further comprises Terminal pair, which combined the interface of the invention Battery connections or batteries to the outside, d. H. to the provider. Furthermore, to the terminal pair a voltage source and / or a power source are connected, to connect to the battery connections To charge batteries. Preferably, all battery connections are the Circuit interconnected to a common group, wherein but only for a part of all battery connections the circuit can be the case. The so combined group of battery connections thus includes the combination of all the voltages of the battery terminals, if the switch position of the switch selects out is that a series connection of the battery connections results. In the same way, the group comprises in parallel the respectively connected battery connections or subgroups of battery connections, which in terms of their current be combined with each other, resulting in a Stromaddition.

Vorzugsweise ist dieser Batterieanschluss einem einzelnen galvanischen Element zugeordnet. Alternativ kann ein Batterieanschluss auch einem Satz galvanischer Elemente zugeordnet sein, so dass ein Batterieanschluss die kombinatorische Funktion einer Untergruppe erhält.Preferably This battery connection is a single galvanic element assigned. Alternatively, a battery connection can also be a set be associated with galvanic elements, so that a battery connection receives the combinatorial function of a subgroup.

Bei der wahlweisen Kombination der mindestens zwei Untergruppen der Batterieanschlüsse in Serienschaltung werden die Batterieanschlüsse bzw. die Untergruppen nacheinander aufgereiht, wobei der Pluspol einer Batterie an den Minuspol der folgenden Batterie angeschlossen wird und so fort. Das Anschlussklemmenpaar ist dann mit dem Pluspol der letzten Batterie und dem Minuspol der ersten Batterie, d. h. mit dem Minus- und dem Pluspol der jeweils äußersten Batterieanschlüsse verbunden. Werden in gleicher Weise die Batterieanschlüsse als Parallelschaltung kombiniert, so werden alle Pluspole aller Batterieanschlüsse der Untergruppen bzw. die Pluspole aller Untergruppen der mindestens einen Gruppe miteinander sowie mit dem Pluspol des Anschlussklemmenpaars verbunden. In gleicher Weise werden die jeweiligen Minuspole miteinander verbunden.at the optional combination of the at least two subgroups of Battery connections in series connection, the battery connections or the subgroups lined up one after the other, with the positive pole of a Battery connected to the negative terminal of the following battery and so on. The terminal pair is then with the positive pole of the last Battery and the negative pole of the first battery, d. H. with the minus and the positive pole of the outermost battery terminals connected. Be in the same way the battery connections combined as a parallel connection, so all positive poles of all battery connections subgroups or positive poles of all subgroups of at least a group with each other as well as with the plus pole of the terminal pair connected. In the same way, the respective negative poles with each other connected.

Vorzugsweise umfasst jede Untergruppe die gleiche Anzahl an Batterieanschlüssen, die auf die gleiche Weise miteinander kombiniert sind. Ferner sind vorzugsweise alle Schaltelemente gleich ausgebildet, beispielsweise als Halbleiterelemente, MOSFET, Sense-FET, bipolarer Transistor, IGBT oder als Relais. Die Schaltelemente können als Ein-/Ausschalter, d. h. als Öffner bzw. Schließer oder können als Umschalter ausgebildet sein und weisen bei verschiedenen Funktionen vorzugsweise gleiche Schaltelemente auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind alle Steuereingänge aller Schaltelemente mit einer Zentralsteuerung verbinden, wobei die Steuereingänge von Schaltelementen, die die gleiche Funktion aufweisen, miteinander verbunden sein können. Ferner können alle Schaltelemente, die während der Parallelschaltung den gleichen Schaltzustand aufweisen oder geschlossen sind, miteinander verbunden sein, und es können alle Steuereingänge aller Schaltelemente verbunden sein, die während der Parallelschaltung den gleichen oder einen offenen Schaltzustand aufweisen. Ebenso können alle Steuereingänge aller Schaltelemente miteinander verbunden sein, die bei der Schaltung in Serie den gleichen oder einen offenen Schaltzustand aufweisen, und es können alle Schalteingänge aller Schaltelemente miteinander verbunden sein, die bei einer Schaltung in Serie den gleichen oder einen geschlossenen Schaltzustand aufweisen. Auf diese Weise lassen sich die Schaltelemente miteinander synchronisieren und zwei Funktionsgruppen aufteilen.Preferably each subgroup has the same number of battery terminals, which are combined in the same way. Further are preferably all the switching elements are the same, for example as semiconductor elements, MOSFET, sense FET, bipolar transistor, IGBT or as a relay. The switching elements can be used as on / off switches, d. H. as an opener or closer or as Changeover switch can be configured and have different functions preferably the same switching elements. According to one preferred embodiment of the invention are all control inputs connect all switching elements with a central control, wherein the control inputs of switching elements that are the same Have function, can be connected to each other. Furthermore, all switching elements that during the parallel circuit have the same switching state or are closed, connected, and can all control inputs of all switching elements connected, during the parallel connection the same or a have open switching state. Likewise, all control inputs all switching elements connected to each other, in the circuit have the same or an open switching state in series, and it can all the switching inputs of all switching elements be connected to each other in a circuit in series have the same or a closed switching state. In this way the switching elements can be synchronized with each other and two Divide function groups.

Die Verbindung zwischen den so verschalteten Steuereingängen der Schaltelemente und einer Zentralsteuerung kann mittels zweier Leitungen, mittels einer Leitung und eines logischen Inverters oder mittels nur einer Leitung vorgesehen werden. Werden zwei Leitungen verwendet, ist eine Leitung der ersten Funktionsgruppe von Schaltelementen zugeordnet, während die zweite Leitung der zweiten Funktionsgruppe von Schaltelementen zugeordnet ist. Falls nur eine Leitung verwendet wird, so entspricht der Aktivierungszustand der ersten Funktionsgruppe der Inversion bzw. Negation des Aktivierungszustands der zweiten Funktionsgruppe. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Schaltung eine Zentralsteuerung, mit der alle Schaltelemente verbunden sind. Insbesondere ist die Zentralsteuerung vorzugsweise mit allen Steuereingängen aller Schaltelemente verbunden. Daher ist die Zentralsteuerung eingerichtet, Steuersignale auszugeben, mit denen der Schaltzustand der Schaltelemente gesteuert werden kann.The connection between the so connected The control inputs of the switching elements and a central control can be provided by means of two lines, by means of a line and a logical inverter or by means of only one line. If two lines are used, one line is assigned to the first function group of switching elements, while the second line is assigned to the second function group of switching elements. If only one line is used, the activation state of the first function group corresponds to the inversion or negation of the activation state of the second function group. According to a preferred embodiment of the invention, the circuit according to the invention comprises a central control, with which all the switching elements are connected. In particular, the central controller is preferably connected to all control inputs of all switching elements. Therefore, the central controller is arranged to output control signals with which the switching state of the switching elements can be controlled.

Das erfindungsgemäße Konzept wird ferner von einer Batteriegruppe umgesetzt, die mehrere Batterien oder galvanische Elemente umfasst, welche über die erfindungsgemäße Schaltung miteinander verbunden sind. Hierbei ist jeweils eine Batterie mit einem der Batterieanschlüsse verbunden, d. h. dass der Pluspol jeder einzelnen Batterie mit dem Pluspol des zugehörigen Batterieanschlusses verbunden ist und der Minuspol jeder Batterie mit dem zugehörigen Minuspol des Batterieanschlusses verbunden ist. Jede einzelne Batterie kann aus einem einzelnen galvanischen Element mit einer negativen und einer positiven Elektrode ausgestattet sein, oder kann eine Vielzahl vorgruppierter galvanischer Elemente umfassen. Daher kann ein einzelner Batterieanschluss oder können alle Batterieanschlüsse jeweils mit einem Batteriepack verbunden sein oder mit einer Batterie, die aus mehreren galvanischen Zellen besteht, wie es beispielsweise bei 9-Volt-Blocks oder bei 12-Volt-Kfz-Akkumulatoren bekannt ist.The inventive concept is further from a Battery group implemented, the multiple batteries or galvanic Comprises elements which via the inventive Circuit interconnected. Here is a battery with connected to one of the battery terminals, d. H. that the Positive pole of each individual battery with the positive pole of the associated Battery connection is connected and the negative terminal of each battery connected to the associated negative terminal of the battery terminal is. Every single battery can be made from a single galvanic Element equipped with one negative and one positive electrode or may be a plurality of pre-grouped galvanic elements include. Therefore, a single battery connector may or may not all battery connections each with a battery pack be connected or with a battery that consists of several galvanic Consists of cells, such as in 9-volt blocks or at 12 volt car batteries is known.

Das erfindungsgemäße Konzept wird ferner von einem Elektrowerkzeug umgesetzt, das eine Batteriegruppe umfasst, die einzelne Batterien aufweist, welche mittels der erfindungsgemäßen Schaltung miteinander verbunden sind, wobei die Batteriegruppe zur Versorgung eines Verbrauchers des Elektrowerkzeugs vorgesehen ist. Das so zum kabellosen Betrieb vorgesehene Elektrowerkzeug kann daher durch einfaches Umstellen mittels der erfindungsgemäßen Schaltung in verschiedene Betriebsmodi versetzt werden. Wie bereits vermerkt, eignen sich verschiedene zum kabellosen Betrieb vorgesehene Elektrowerkzeuge zum Einsatz mit der erfindungsgemäßen Schaltung, beispielsweise mit einem ohmschen oder einem induktiven Verbraucher. Ohmsche Verbraucher umfassen beispielsweise Licht erzeuger, die Glühbirnen, LEDs, Kaltlichtröhren u. Ä. umfassen. Weitere ohmsche Verbraucher sind Vorrichtungen zum Erzeugen elektrostatischer Felder, statischer elektromagnetischer Felder oder Hochspannung von geringer Leistung oder Heizungen. Induktive Verbraucher umfassen Verbraucher, die mittels eines magnetischen Drehfelds eine mechanische Rotation erzeugen, insbesondere elektrische Maschinen wie Gleichstrommaschinen, die als Nebenschlussmaschine, selbsterregte Gleichstrommaschine oder als fremderregte Gleichstrommaschine geschaltet sein können. Ferner sind als elektrische Maschine äquivalente Elektromotoren verwendbar, die mit Gleichspannung bzw. Gleichstrom betrieben werden wie z. B. Synchron oder Asynchronmaschinen mit einer entsprechenden Inverterschaltung.The inventive concept is further from a Power tool implemented, which includes a battery group, the having individual batteries, which by means of the invention Circuit interconnected, wherein the battery group for Supply of a consumer of the power tool is provided. The thus provided for wireless operation power tool can therefore by simple switching by means of the invention Circuit can be put into different operating modes. As already noted, various suitable for wireless operation power tools are suitable for use with the circuit according to the invention, for example, with an ohmic or an inductive consumer. Ohmic consumers include, for example, light generators, the light bulbs, LEDs, cold-light tubes u. Ä. include. Further ohmic consumers are devices for generating electrostatic Fields, static electromagnetic fields or high voltage low power or heaters. Inductive consumers include Consumers who use a magnetic rotating field mechanical Generate rotation, in particular electrical machines such as DC machines, as a shunt machine, self-excited DC machine or can be switched as a foreign-excited DC machine. Further, electric motors are equivalent electric motors usable, which are operated with DC or DC such as B. synchronous or asynchronous machines with a corresponding Inverter circuit.

Das oben beschriebene erfindungsgemäße Konzept wird von einem Verfahren zum wählbaren Verknüpfen von Batteriezellen umgesetzt, mit denen ein Elektrowerkzeug mit einer Gleichspannung versorgt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das wählbare Verbinden von Batteriezellen in Parallelschaltung sowie das wählbare Verbinden der Batteriezellen in Serie, um so zu wählen, ob an Anschlussklemmen eine hohe oder eine niedrige Gleichspannung und dementsprechend abhängig vom Innenwiderstand des Verbrauchers ein hoher oder ein niedriger Strom abgegeben werden soll. Die Parallelschaltung wird vorzugsweise nie gleichzeitig mit der Seriellschaltung angewählt, da sich derartige Beschaltungsarten für dieselbe Gruppe an Batteriezellen ausschließen. Die erfindungsgemäße Schaltung wird vorzugsweise für dieselben Batteriezellen wechselweise im Seriell- und im Parallelmodus betrieben. Jedoch können Batteriezellen in gleichzeitig verschiedenen Gruppen zusammengeschlossen sein, wobei eine Gruppe Batteriezellen umfasst, die in Serie miteinander verbunden sind, und eine weitere Gruppe Batteriezellen umfasst, die in Parallelschaltung miteinander verbunden sind, und eine dritte Gruppe Batteriezellen umfasst, die sowohl in Reihe wie auch parallel miteinander verschaltet sind. Die Gruppen können an verschiedene Verbraucher angelegt werden oder können miteinander verbunden werden, um einen oder mehrere Verbraucher gemeinschaftlich mit elektrischer Energie zu versorgen.The above described inventive concept from a method for selectably linking Battery cells implemented with which a power tool with a DC voltage is supplied. The invention Method includes selectively connecting battery cells in parallel as well as the selectable connection of the battery cells in series, to choose whether at terminals one high or low DC voltage and accordingly dependent on Internal resistance of the consumer is a high or a low current to be delivered. The parallel connection is preferably never selected simultaneously with the serial circuit, since Such Beschaltungsarten for the same group of battery cells exclude. The circuit according to the invention is preferably for the same battery cells alternately operated in serial and parallel mode. However, you can Battery cells in different groups at the same time, one group comprising battery cells connected in series with one another are connected, and another group comprises battery cells, which are connected in parallel, and a third one Group includes battery cells, both in series and in parallel interconnected with each other. The groups can be different Consumers are created or can be connected to each other, to one or more consumers jointly with electrical Provide energy.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren für Elektrowerkzeuge mit Elektromotoren als Verbraucher verwendet, bei dem die wählbare Schaltungsart zum Auswählen des Betriebsmodus des Elektromotors verwendet wird. Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise das Versorgen eines Elektrowerkzeugs, das einen Elektromotor aufweist, wobei die verschiedenen Betriebsmodi des Elektrowerkzeugs verschiedenen, wählbaren Schaltungsarten entsprechen. Wie oben bemerkt, kann eine hohe Drehzahl (bei relativ geringem Drehmoment) mittels Seriellschaltung erreicht werden, die eine hohe Spannung und eine geringen Strom erzeugt, wohingegen ein hohes Drehmoment (bei ge ringer Drehzahl) erreicht wird, wenn Batteriezellen in Parallelschaltung miteinander verbunden sind, um einen hohen Strom bei relativ geringer Spannung zu erzeugen. Bei einer Vielzahl von Batteriezellen können diese periodisch und/oder symmetrisch miteinander kombiniert werden, wobei jedoch bei einem überwiegenden Anteil an Parallelschaltungskombinationen innerhalb der Batteriezellen sich eine geringe Spannung bei hohem Strom realisieren lässt und bei einer Kombination überwiegend in Serie die Kombination der einzelnen Batterien eine hohe Spannung bei relativ geringem Strom vorsieht.The method according to the invention is preferably used for electric tools with electric motors as consumers, in which the selectable type of circuit is used for selecting the operating mode of the electric motor. Therefore, the method according to the invention preferably comprises supplying a power tool having an electric motor, wherein the different operating modes of the power tool correspond to different, selectable types of circuit. As noted above, a high speed (at relatively low torque) can be achieved by means of a serial circuit which produces high voltage and low current, whereas high torque (At low speed) is achieved when battery cells are connected in parallel with each other to produce a high current at relatively low voltage. In a plurality of battery cells, these can be periodically and / or symmetrically combined with each other, but with a majority of parallel circuit combinations within the battery cells, a low voltage at high current can be realized and a combination predominantly in series, the combination of the individual batteries a high Provides voltage at relatively low power.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine Seriellschaltung ausgewählt, die, nachdem der Ladezustand der Batterien durch Verbrauch reduziert ist, eine Parallelschaltung folgt. Durch die Parallelschaltung lassen sich Ladezustandsunterschiede unter den kombinierten Batterien ausgleichen, die sich durch die Seriellschaltung ergeben haben. Wie bereits bemerkt, kann sich ein Ungleichgewicht der Batteriezellen bei einer Kombination in Serie einstellen, da Batteriezellen, die einen geringeren Ladezustand als andere Batteriezellen in der Gruppe aufweisen, anders belastet werden und somit hinsichtlich ihres Ladezustands vom Ladezustand der anderen Batteriezellen in der Kombination unterscheiden. Ferner lassen sich Ladungsunterschiede durch die Parallelschaltung ausgleichen, insbesondere vor, nach oder während des Aufladens der Batterien. Die Aufladung kann vorgesehen werden, wenn die Batterien in Serie geschaltet sind oder wenn sie parallel geschaltet sind. Da jedoch vor der Aufladung durch Parallelschaltung gewährleistet wurde, dass alle Batteriezellen gleich stark aufgeladen sind, ist die Energieübertragung zu den einzelnen Zellen während des Aufladens homogen, so dass auch eine Aufspaltung der Batteriezellen in Serienschaltung kein Ungleichgewicht zur Folge hat.In a particularly preferred embodiment of the invention Method, a serial circuit is first selected, which, after the state of charge of the batteries is reduced by consumption is, a parallel connection follows. Let go through the parallel connection compensate for state of charge differences between the combined batteries, which resulted from the serial connection. As already noted, may be an imbalance of battery cells in a combination set in series because battery cells have a lower state of charge than other battery cells in the group have different load and thus in terms of their state of charge of the state of charge the other battery cells in the combination differ. Further Charge differences can be compensated by the parallel connection, especially before, after or during the charging of the batteries. Charging can be provided when the batteries are in series are switched or if they are connected in parallel. However, since was ensured before charging by parallel connection, that all battery cells are equally charged, is the energy transfer homogeneous to the individual cells during charging, so that a splitting of the battery cells connected in series no imbalance results.

Im Allgemeinen kann eine Batterie ein einzelnes galvanisches Element oder eine Vielzahl von vorverdrahteten galvanischen Elementen umfassen, die elektrisch (und gegebenenfalls auch physisch miteinander verbunden sind). Als Batterien können Akkumulatoren verwendet werden, also wieder aufladbare elektrochemische Zellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Nickel-Kadmium-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, sowie deren Äquivalente mit Polymer-Elektrolyt und/oder mit Elektroden, die durch andere Materialien substituiert sind. Ferner kann eine Batterie durch einen Bleiakkumulator vorgesehen sein, der eine oder mehrere einzelne Bleizellen umfasst.in the Generally, a battery can be a single galvanic element or a plurality of pre-wired galvanic elements, the electrically (and possibly also physically interconnected are). Batteries can be used as batteries so rechargeable electrochemical cells, such as Lithium-ion batteries, nickel-cadmium batteries or nickel-metal hydride batteries, as well their equivalents with polymer electrolyte and / or with electrodes, which are substituted by other materials. Furthermore, a Battery be provided by a lead-acid battery, the one or includes several individual lead cells.

Die erfindungsgemäße Kombination mittels Parallel- oder Seriellschaltung der vorangehenden Beschreibung wurde hautsächlich zur Verwendung mit einem Verbraucher beschrieben. Jedoch kann die oben beschriebene erfindungsgemäße Kombination auch zum Anschluss an eine Aufladevorrichtung vorgesehen werden, beispielsweise um die Aus gangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der Aufladevorrichtung an die Zellen anzupassen. So kann beispielsweise durch Umschaltung von Seriell- auf Parallelschaltung das Aufladegerät zunächst mit einer hohen Spannung arbeiten und dann, nach erfolgter Umschaltung auf eine parallele Kombination der Batterien, der Versorger mit einer geringeren Spannung versorgt werden. In gleicher Weise kann die oben als Verbraucher beschriebene elektrische Maschine auch als Generator verwendet werden, indem sie mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, das zur Stromerzeugung innerhalb der elektrischen Maschine führt. Daher eignen sich insbesondere Gleichstrommaschinen mit Erregung durch Permanentmagnet für den Einsatz mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit der erfindungsgemäßen Schaltung.The combination according to the invention by means of parallel or serial connection of the foregoing description became the main one for use with a consumer. However, the above can described combination of the invention also be provided for connection to a charging device, for example to the output voltage and / or the output current of the charging device to adapt to the cells. For example, by switching from serial to parallel switching the charger first work with a high voltage and then, after switching over on a parallel combination of batteries, the provider with be supplied with a lower voltage. In the same way can the electric machine described above as a consumer as well be used as a generator by applying a torque that is to generate electricity within the electric machine leads. Therefore, DC machines are particularly suitable with excitation by permanent magnet for use with the method according to the invention or with the inventive Circuit.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated with reference to the drawings and in the explained in more detail below description.

Es zeigenIt demonstrate

1 eine Stromversorgungsschaltung mit einer Steuerelektronik, einem Motor und der erfindungsgemäßen Schaltung zur Kombination von Batterieanschlüssen, 1 a power supply circuit having an electronic control unit, a motor and the circuit according to the invention for combining battery terminals,

2 den Verlauf der Zellspannung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und 2 the course of the cell voltage when using the method according to the invention and

3 den Verlauf des Aufladestroms und der Aufladespannung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 the course of the charging current and the charging voltage when using the method according to the invention.

Ausführungsformen der Erfindung:Embodiments of the invention:

In der 1 ist eine Stromversorgungsschaltung 12 dargestellt, die über eine Stromsteuerung 10, einen Verbraucher, in diesem Falle einen permanenterregten Gleichstrommotor 4 mit elektrischer Energie versorgt. Die Schaltung zur Stromversorgung 12 umfasst drei Batterieanschlüsse, wobei an jedem Batterieanschluss eine zugeordnete Batteriezelle 1 angeschlossen ist. Die Batterieanschlüsse 11 umfassen jeweils einen Minuspol 11a–c und einen Pluspol 11d–f. Zur erfindungsgemäßen wählbaren Kombination der Batterieanschlüsse sind Schalter S1–S4 vorgesehen. Die Schalter sind über eine Leitung 7a mit einer Steuerung 7 verbunden, die den Schaltzustand der Schalter S1–S4 steuert. Die Leitung 7a überträgt Signale, mit der die jeweiligen Steuereingänge der Schalter angesteuert werden, um die Schal ter S1–S4 zentral über die Steuerung 7 steuern zu können. Die Schalter S1 und S2 sind Ein-Aus-Schalter, wohingegen die Schalter S3 und S4 als Wechselschalter ausgeführt sind. Die Schalter S1 und S2 gehören zu einer ersten Funktionsgruppe, deren Aufgabe es ist, bei Parallelschaltung die Verbindung zwischen den Pluspolen herzustellen, und bei Seriellschaltung diese Verbindung aufzuheben, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Schalter S3 und S4 bilden eine zweite Funktionsgruppe und sind als Umschalter bzw. Wechselschalter ausgebildet, die im Falle einer Parallelschaltung den Zusammenschluss aller Minuspole gewährleisten und bei Kombination in Serie einen Pol einer ersten Batterie mit dem entgegengesetzten Pol der nächsten Batterie verbinden, in diesem Fall den Minuspol einer Vorgängerbatterie, die in der 1 jeweils links dargestellt ist, mit dem Pluspol der Nachfolgebatterie, die in der 1 rechts dargestellt ist, verbindet. Die Stromversorgungsschaltung 12 umfasst ferner ein Anschlussklemmenpaar 13a, 13b, wobei die Klemme 13a den Pluspol bildet und die Klemme 13b den Minuspol bildet. Die Klemme 13a ist mit dem Pluspol der ersten, in der 1 links dargestellten Batterie unmittelbar verbunden. Die Klemme 13b ist unmittelbar mit dem Minuspol der letzten Batterie, in der 1 ganz rechts dargestellt, verbunden. Wenn die Batterieanschlüsse in Serie verbunden sind, sind die Anschlüsse 13a und 13b lediglich mit den jeweiligen unmittelbar angeschlossenen Batterieanschlüssen verbunden. Im Falle einer Parallelschaltung ist der Pluspol 13a des Klemmenpaares ebenfalls über die Schalter S2 und S1 mit den Pluspolen der Batterieanschlüsse der mittleren und der letzten Batterie, in der 1 ganz rechts dargestellt, verbunden. In gleicher Weise ist der Minuspol 13b des Anschlussklemmenpaares über die Wechselschalter S3 und S4 mit den Minuspolen der ersten Batterie, in der 1 ganz links dargestellt, und der mittleren Batterie verbunden. Ferner ist zu bemerken, dass im Falle der Parallelschaltung die Schalter S3 und S4 die Verbindung eines Pols mit dem entgegengesetzten Pol der folgenden Batterie aufheben.In the 1 is a power supply circuit 12 represented by a current control 10 , a consumer, in this case a permanent-magnet DC motor 4 supplied with electrical energy. The circuit for power supply 12 includes three battery terminals, with an associated battery cell at each battery terminal 1 connected. The battery connections 11 each include a negative pole 11a -C and a positive pole 11d f. Switches S1-S4 are provided for the selectable combination of the battery connections according to the invention. The switches are over a line 7a with a controller 7 connected, which controls the switching state of the switches S1-S4. The administration 7a transmits signals with which the respective control inputs of the switches are controlled to the scarf ter S1-S4 centrally via the controller 7 Taxes to be able to. The switches S1 and S2 are on-off switches, whereas the switches S3 and S4 are designed as a changeover switch. The switches S1 and S2 belong to a first group of functions, whose task is to establish the connection between the positive poles in parallel connection, and to break this connection in serial connection in order to avoid short circuits. The switches S3 and S4 form a second functional group and are designed as a changeover switch or changeover switch, which ensure the connection of all negative poles in the case of a parallel connection and connect a pole of a first battery with the opposite pole of the next battery when combined in series, in this case the negative pole of a previous battery, which in the 1 is shown on the left, with the positive pole of the successor battery, in the 1 shown on the right, connects. The power supply circuit 12 further includes a pair of terminals 13a . 13b , the clamp 13a the plus pole forms and the clamp 13b forms the negative pole. the clamp 13a is with the plus pole of the first, in the 1 directly connected battery shown on the left. the clamp 13b is directly connected to the negative terminal of the last battery in the 1 shown on the right, connected. When the battery connections are connected in series, the connections are 13a and 13b only connected to the respective directly connected battery terminals. In the case of a parallel connection, the positive pole 13a of the terminal pair also via the switches S2 and S1 with the plus poles of the battery terminals of the middle and the last battery, in the 1 shown on the right, connected. In the same way is the negative pole 13b of the terminal pair via the changeover switches S3 and S4 with the negative poles of the first battery, in the 1 shown on the left, and connected to the middle battery. It should also be noted that in the case of parallel connection, the switches S3 and S4 cancel the connection of one pole to the opposite pole of the following battery.

Die Stromsteuerung 10 wird über das Anschlussklemmenpaar 13a, b mit Strom versorgt, so dass die Stromversorgungsschaltung 12 für die Stromsteuerung 10 als zweipolige Spannungsversorgungsquelle dient. Die Stromsteuerung 10 umfasst einen Glättungskondensator C1, der als Pufferspeicher für die Stromsteuerung und den Verbraucher dient. Der Kondensator C1 ist parallel zu dem Anschlussklemmenpaar angeschlossen. In der positiven Versorgungsspannungsschiene innerhalb der Stromsteuerung ist ein elektronischer Schalter 3 vorgesehen, der als MOSFET realisiert ist. Der Schaltungszustand des MOSFET 3 wird über einen Regler 2 angesteuert, der entsprechende Steuersignale an den MOSFET 3 ausgibt. An die so angesteuerte Stromversorgungsschiene ist eine Freilauf-Diode D1 angeschlossen, auf die ein Strommesselement 5 in der positiven Versorgungsspannungsschiene folgt. Somit wird der von der Versorgungsschaltung 12 erzeugte Strom über den Minuspol 13b des Anschlussklemmenpaares an den Verbraucher 4 geliefert. Gleichzeitig wird der Strom über den Pluspol 13a des Versorgungsklemmenpaares, gesteuert durch den MOSFET 3 und überwacht über das Stromerfassungselement 5, an den Verbraucher 4, der als Elektromotor realisiert ist, geliefert. Die Freilauf-Diode schützt den Regler 2 sowie die Versorgungsschaltung 12 vor Induktionsspannung, die im Freilauf-Fall vom Elektromotor 4 erzeugt wird. Das Stromerfassungselement 5 erfasst den durch die positive Versorgungsschiene laufenden Strom, mit dem der Elektromotor 4 versorgt wird und gibt dieses Signal an den Regler 2 weiter. Der Regler 2 steuert gemäß diesem Signal den MOSFET 3 sowie abhängig von dem Signal, das von der Steuerung 7 zentral erzeugt wird. Daher ist die Steuerung 7 nicht nur über die Leitung 7a mit allen Schaltern S1–S4 verbunden, sondern auch mit dem Regler 2 der Stromsteuerung 10. Der Regler 2 erzeugt vorzugsweise ein Pulssteuerungssignal, dessen Tastverhältnis auf den Schaltungszustand des MOSFET 3 übertragen wird, vorzugsweise durch Ansteuerung eines Gates des MOSFETs, wobei der Regler vorzugsweise vorsieht, dass der durch den MOSFET 3 fließende Strom einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt. Das Stromerfassungselement 5 kann ein Shunt-Widerstand sein, oder kann mittels des Sense-Ausgangs eines MOSFETs vorgesehen sein, der Teil des als MOSFET realisierten Schaltungselements 3 realisiert ist. Ferner sieht der Regler 2 vorzugsweise vor, dass ein vorbestimmter Batteriestrom-Maximalwert nicht überschritten wird, der bei Schaltung in Serie durch das Anschlussklemmenpaar fließt. Dieser Batteriestrom-Maximalwert, der den maximalen Strom durch den MOSFET 3 bestimmt, hängt vorzugsweise davon ab, ob die Batterieanschlüsse bzw. die Batterien 1 der Versorgungsschaltung 12 seriell geschaltet sind oder in Parallelschaltung verknüpft sind. Beispielsweise kann der Zellstrom-Maximalwert bei Parallelschaltung ein Vielfaches des Zellstrom-Maximalwerts sein, der sich bei Seriellschaltung ergibt, wobei der Multiplikatorfaktor zwischen diesen beiden Maximalwerten der Anzahl der Batterien entspricht. Ferner kann das Verhältnis der beiden Maximalwerte aus dem Verhältnis der Anzahl der Batterien, die in Serie geschaltet sind, zu der Anzahl der Batterien, die in Parallelschaltung kombiniert sind, bestimmt werden. Obwohl in 1 die Stromversorgungsschaltung 12 mit drei Batterien dargestellt ist, kann jede beliebige Anzahl > 1 verwendet werden. Die in 1 dargestellte Schaltung in Serie der Batterien entspricht einer hohen Drehzahl bei einem geringen Drehmoment, wohingegen bei entgegengesetzter Schalterstellung, d. h. im Betrieb in Parallelkombination, ein hohes Drehmoment bei niedriger Spannung durch den Elektromotor 4 erzeugt werden kann.The current control 10 is via the pair of terminals 13a , b powered, so the power supply circuit 12 for power control 10 serves as a bipolar power source. The current control 10 comprises a smoothing capacitor C1, which serves as a buffer for the current control and the consumer. The capacitor C1 is connected in parallel to the terminal pair. In the positive supply voltage rail inside the current control is an electronic switch 3 provided, which is realized as a MOSFET. The circuit state of the MOSFET 3 is via a regulator 2 controlled, the appropriate control signals to the MOSFET 3 outputs. To the so-controlled power supply rail, a freewheeling diode D1 is connected, to which a current measuring element 5 in the positive supply voltage rail follows. Thus, that of the supply circuit 12 generated electricity via the negative pole 13b of the terminal pair to the consumer 4 delivered. At the same time, the electricity is passed through the positive pole 13a of the supply terminal pair, controlled by the MOSFET 3 and monitored via the current sensing element 5 to the consumer 4 , which is realized as an electric motor delivered. The freewheeling diode protects the regulator 2 as well as the supply circuit 12 before induction voltage, in the freewheeling case of the electric motor 4 is produced. The current detection element 5 detects the current passing through the positive supply rail, with which the electric motor 4 is supplied and gives this signal to the controller 2 further. The regulator 2 controls the MOSFET according to this signal 3 as well as depending on the signal coming from the controller 7 is generated centrally. Therefore, the controller 7 not just over the line 7a connected with all switches S1-S4, but also with the regulator 2 the current control 10 , The regulator 2 Preferably generates a pulse control signal whose duty cycle on the circuit state of the MOSFET 3 is transmitted, preferably by driving a gate of the MOSFET, wherein the controller preferably provides that through the MOSFET 3 flowing electricity does not exceed a certain limit. The current detection element 5 may be a shunt resistor, or may be provided by means of the sense output of a MOSFET which is part of the circuit element implemented as a MOSFET 3 is realized. Further, the controller sees 2 preferably, that a predetermined battery current maximum value is not exceeded, which flows when connected in series through the terminal pair. This battery current maximum value, which is the maximum current through the MOSFET 3 determined, preferably depends on whether the battery terminals or the batteries 1 the supply circuit 12 are connected in series or linked in parallel. By way of example, the maximum parallel cell current value can be a multiple of the cell current maximum value which results in serial connection, the multiplier factor between these two maximum values corresponding to the number of batteries. Further, the ratio of the two maximum values can be determined from the ratio of the number of batteries connected in series to the number of batteries combined in parallel. Although in 1 the power supply circuit 12 With three batteries, any number> 1 can be used. In the 1 shown circuit in series of batteries corresponds to a high speed at a low torque, whereas in opposite switch position, ie in parallel combination operation, a high torque at low voltage by the electric motor 4 can be generated.

2 zeigt den Verlauf der Batteriespannungen für eine Schaltung mit drei Batterien. Bis zum Zeitpunkt t = 30 min sind alle Batterien, in diesem Fall gleichartige Lithium-Ionen-Akkumulatoren, in Serie geschaltet und werden beginnend vom Zeitpunkt t = 0 min an aufgeladen. Es ist zu erkennen, dass die drei Batterien unterschiedliche Ladungszustände und somit unterschiedliche Zellspannungen aufweisen. Der Unterschied ist zum Zeitpunkt t = 0 relativ gering und erhöht sich mit fortlaufender Zeit, d. h. mit zunehmendem Ladungszustand. Mit zunehmender Zeitdauer nähern sich die einzelnen Zellspannungen ferner einem asymptotischen Wert an. Die Zellen werden im Zeitraum t = 18 min (= t₁ in 3) mit einem konstanten Strom aufgeladen, bis eine bestimmte Spannung erreicht wird, d. h. bis der Gesamtwert der Spannungen der Zellen einen Schwellwert erreicht hat. Ab diesem Zeitpunkt wird mit einer konstanten Spannung geladen. Da sich die innere Spannung der Batterien, d. h. die Leerlaufspannungen der Batterien stetig erhöht, fällt in dieser Phase der Strom kontinuierlich. Erreicht der Aufladestrom einen bestimmten Minimalwert, in diesem Fall zum Zeitpunkt t = 30 min, so werden die Schalter S1–S4 in der 1 so gestellt, dass die drei Batterien 1 in Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ladespannung entsprechend angepasst, d. h. auf ein Drittel der Spannung bei Seriellschaltung, da sich nunmehr die Gesamtspannung nicht auf die Anzahl der Batterien verteilt, sondern an jeder einzelnen Batterie anliegt. Es ist aus 2 deutlich zu erkennen, dass sich ab dem Zeitpunkt t = 30 Min, in der von Seriellschaltung auf Parallelschaltung umgestellt wird, die (inneren) Zellspannungen einander annähern. Die in 2 dargestellten Spannungen sind die extrapolierten Leerlaufspannungen der Batterien und nicht die Klemmenspannungen, die zum Zeitpunkt der Parallelschaltung identisch werden. 2 shows the course of the battery voltages for a circuit with three batteries. Until the time t = 30 min, all batteries, in this case similar lithium-ion batteries, are connected in series and are charged starting from the time t = 0 min on. It can be seen that the three batteries have different charge states and thus different cell voltages. The difference is relatively small at time t = 0 and increases with continuous time, ie with increasing charge state. With increasing time duration, the individual cell voltages also approach an asymptotic value. The cells are incubated in the period t = 18 min (= t ₁ in 3 ) is charged with a constant current until a certain voltage is reached, ie until the total value of the voltages of the cells has reached a threshold value. From this point on it is charged with a constant voltage. Since the internal voltage of the batteries, ie the open-circuit voltages of the batteries steadily increases, falls in this phase, the current continuously. When the charging current reaches a certain minimum value, in this case at the time t = 30 min, the switches S1-S4 in the 1 placed so that the three batteries 1 connected in parallel with each other. At this time, the charging voltage is adjusted accordingly, ie to one third of the voltage in serial connection, since now the total voltage is not distributed to the number of batteries, but is applied to each individual battery. It is off 2 clearly recognize that from the time t = 30 min, in which is switched from serial to parallel connection, the (inner) cell voltages approach each other. In the 2 The voltages shown are the extrapolated no-load voltages of the batteries and not the terminal voltages, which become identical at the time of parallel connection.

Die 3 zeigt den Verlauf des Aufladestroms (strichpunktiert) und der Aufladespannung (durchgezogene Linie). Die 3 gibt somit die elektrische Leistung wieder, die durch die Versorgungsschaltung 12 der 1 durch die Anschlussklemmen 13a, 13b fließt, wenn diese an eine Aufladevorrichtung angeschlossen wird. Der in 3 dargestellte Verlauf gibt denselben Aufladeprozess wieder, der in 2 unter Bezugnahme auf die einzelnen Batteriespannungen (Leerlaufspannungen) dargestellt ist. In der 3 ist zwischen dem Zeitpunkt 0 und t₁ der Spannungs- und Stromverlauf dargestellt, der bei in Serie geschalteten Batterien entsteht, wobei zunächst die in Serie geschalteten Batterien mit einem Konstantstrom (4 Ampere) geladen werden. Hierbei steigt die Spannung stetig an. Nachdem die Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat (Spannung U₁), geht die Aufladevorrichtung in einen Konstantspannungsmodus über, bei dem an das Anschlussklemmenpaar eine konstante Spannung angelegt wird. Wie bereits an Hand von 2 beschrieben, fällt dabei der Strom kontinuierlich, da sich die innere Spannung der Batterien (die Leerlaufspannung) der Aufladespannung U₁ asymptotisch annähert. Unterschreitet der Strom einen bestimmten Schwellwert, in dem dargestellten zum Zeitpunkt t = 30 min, werden die Batterien von der seriellen Kombination in Parallelschaltung gebracht, um den Aufladestrom noch kurzfristig zu erhöhen. Gleichzeitig von der Umschaltung von Seriellschaltung zur Parallelschaltung zum Zeitpunkt t = 30 min wird die Spannung entsprechend angepasst und beträgt nunmehr ca. 4 V (= die Nennspannung einer Lithiumzelle), d. h. im Wesentlichen ein Drittel der Spannung während der Seriellschaltung. Ab dem Zeitpunkt t = 30 min sind Ausgleichsvorgänge zwischen den Batterien untereinander möglich, so das zwischen den einzelnen Batterien über die Schalter S1–S4 Ausgleichsströme fließen. Auf Grund dieses Ausgleichsvorgangs streben alle Batterien zum gleichen Ladungszustand, wodurch sich eine Erhöhung des Aufladestroms ergibt. In der Parallelschaltung erhält eine schwach geladene Batterie somit nicht nur Strom von der Aufladevorrichtung, sondern auch von anderen Batterien bzw. Zellen, die einen höheren Ladungszustand aufweisen. Der durch Parallelschaltung mögliche Augleich erhöht somit den Gesamtaufladestrom und verringert die insgesamt erforderliche Zeit, die der Aufladeprozess andauert.The 3 shows the course of the charging current (dot-dashed) and the charging voltage (solid line). The 3 thus reflects the electrical power coming through the supply circuit 12 of the 1 through the terminals 13a . 13b flows when connected to a charging device. The in 3 The course shown represents the same charging process that occurs in 2 with reference to the individual battery voltages (no-load voltages). In the 3 is shown between the time 0 and t _{1 of} the voltage and current waveform that arises in series-connected batteries, initially the series-connected batteries are charged with a constant current (4 amps). Here, the voltage increases steadily. After the voltage has reached a certain value (voltage U ₁ ), the charging device goes into a constant voltage mode in which a constant voltage is applied to the terminal pair. As already on hand of 2 described, falls while the current continuously, since the internal voltage of the batteries (the open circuit voltage) of the charging voltage U ₁ approaches asymptotically. If the current falls below a certain threshold value, shown at time t = 30 min, the batteries are brought into parallel connection by the serial combination in order to increase the charging current in the short term. At the same time the switchover from serial connection to parallel connection at the time t = 30 min, the voltage is adjusted accordingly and is now about 4 V (= the nominal voltage of a lithium cell), ie substantially one third of the voltage during the serial connection. From the time t = 30 min compensation processes between the batteries are possible among each other, so that between the individual batteries through the switches S1-S4 equalizing currents flow. Due to this balancing process, all batteries strive for the same state of charge, resulting in an increase of the charging current. In the parallel connection, a weakly charged battery thus not only receives power from the charging device, but also from other batteries or cells which have a higher charge state. The equalization possible by parallel connection thus increases the overall charging current and reduces the total time required for the charging process to continue.

Das an Hand der 2 und 3 beschriebene Verfahren kann auch für Entladevorgänge verwendet werden, wobei ein zunehmendes Auseinanderdriften der Ladezustände bzw. der Klemmspannungen der einzelnen Batterien im Fall Seriellschaltung als Auslöser dienen kann, Batterien parallel miteinander zu verbinden, um eine unterschiedliche Alterung der Batterien zu vermeiden. Der Verbraucher bzw. die Steuerung des Verbrauchers muss an die geänderte Spannung an dem Anschlussklemmenpaar durch den Wechsel von Seriell- auf Parallelschaltung angepasst werden. Zum Ausgleich der geänderten Versorgungsspannung bei Umschaltung von parallel zu seriell kann auch ein geregelter DC-DC-Konverter eingesetzt werden, mit dem sich eine einstellbare, beispielsweise konstante Gesamt-Ausgangsspannung erzielen lässt, auch wenn sich dessen Eingangsspannung (= Gesamt-Batteriespannung) durch Umschaltung ändert.The hand of the 2 and 3 described method can also be used for discharging processes, wherein an increasing divergence of the charge states or the clamping voltages of the individual batteries in the case of serial connection can serve as a trigger to connect batteries in parallel with each other to avoid a different aging of the batteries. The consumer or the control of the consumer must be adapted to the changed voltage at the pair of terminals by the change from serial to parallel connection. To compensate for the changed supply voltage when switching from parallel to serial and a regulated DC-DC converter can be used with which an adjustable, for example, constant total output voltage can be achieved, even if its input voltage (= total battery voltage) by switching changes.

Ferner können die Schaltelemente Sense-FETs umfassen, an deren Sense-Ausgang ein Signal anliegt, das den durch die Schaltelemente fließenden Strom wiedergibt. Mittels des Signals lässt sich der durch die Schaltelemente fließende Strom erfassen, kontrollieren und/oder regeln. Beispielsweise wird mit dem Signal des Sense-Anschlusses erfasst, ob der Strom über einem Schwellwert liegt, wobei in diesem Fall Maßnahmen zur Stromreduktion getroffen werden können. Zur Reduktion des Stroms können die Schaltelemente derart angesteuert werden, dass sich eine Seriell-Schaltung ergibt, oder der Verbraucher bzw. die anliegende Ladestrom/-Ladespannungsquelle kann entsprechend eingestellt werden, um einen geringeren Strom vorzusehen.Furthermore, the switching elements may comprise sense FETs, to whose sense output a signal is present which reproduces the current flowing through the switching elements. By means of the signal, the current flowing through the switching elements can be detected, controlled and / or regulated. For example, it is detected with the signal of the sense terminal, whether the current is above a threshold, in which case measures for power reduction can be made. To reduce the current For example, the switching elements can be driven in such a way that results in a serial circuit, or the load or the applied charging current / charging voltage source can be adjusted accordingly in order to provide a lower current.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004032535 A1 [0004]

Claims

Circuit with several battery connections ( 11 ) and a terminal pair ( 13a , b), whereby the battery connections ( 11 ) and the terminal pair ( 13a , b) each having a positive pole and a negative pole, the circuit for selectively connecting the battery terminals ( 11 ) with the terminal pair ( 13a , b) is provided, and the circuit switching elements ( 6 ), the at least two subgroups of the battery terminals ( 11 ) in series for voltage addition or in parallel to the current addition to at least one group interconnect and these at least one group with the terminal pair ( 13a , b) connects.

A circuit according to claim 1, wherein the subgroups each comprise one or a plurality of battery terminals ( 11 ), which in turn are each associated with a galvanic element.

A circuit according to claim 1, wherein all battery connections ( 11 ) of the at least one group or of the subgroups, when connected in series, are connected to one another in succession such that in each case the positive terminal of one of the battery terminals ( 11 ) with the negative terminal of a following of the battery terminals ( 11 ), the negative pole of the first of the battery connections ( 11 ) with the negative pole of the terminal pair ( 13a , b), and the positive pole of the last of the battery connections ( 11 ) with the positive pole of the terminal pair ( 13a , b) and, when connected in parallel, are interconnected in such a way that all positive terminals of the battery terminals ( 11 ) with each other and with the positive pole of the terminal pair ( 13a , b) and all negative terminals of the battery connections ( 11 ) with each other and with the negative pole of the terminal pair ( 13a , b) are connected.

A circuit according to claim 1, wherein all the switching elements ( 6 ) are the same and are formed as a semiconductor element, MOSFET, bipolar transistor, IGBT, sense FET, or as a relay.

A circuit according to claim 1, further comprising a central controller ( 7 ), with which all switching elements ( 6 ) and which is set up to output control signals which determine the switching state of the switching elements ( 6 ) Taxes.

Battery group ( 12 ) with the circuit of claim 1, further comprising a plurality of batteries ( 1 ), wherein in each case a battery ( 1 ) with one of the battery connections ( 11 ) connected is.

Power tool with at least one battery group ( 12 ) according to claim 6 and a consumer ( 4 ), which is supplied by the battery group with electrical energy.

Method for selectably linking battery cells ( 1 ) provided for supplying a power tool with adjustable DC voltage, comprising: selecting at least a first and a second supply mode, connecting the battery cells ( 1 ) in parallel with each other and with a terminal pair ( 13a , b) when the first supply mode is selected, at which at the pair of terminals ( 13a , b) a low DC voltage is applied; and connecting the battery cells ( 1 ) with each other in series and with the terminal pair ( 13a , b) when the second supply mode is selected in which a high DC voltage is applied.

Method according to Claim 8, in which, for supplying the electric tool, the adjustable DC voltage is applied to a DC machine connected as a bypass machine, as a self-excited DC machine or as a separately excited DC machine ( 4 ) and the selectable connection comprises selecting one of at least two speed modes, wherein a first speed mode is a low speed mode during which all or a majority of the battery cells ( 1 ) are connected in parallel with each other, and wherein a second speed mode is a high speed mode during which all or a majority of the battery cells ( 1 ) are connected in series with each other.

Method according to claim 8, wherein the battery cells ( 1 ) and the method comprises a charging step during which an external source of electrical power is applied to the terminals, the battery cells are first connected in series with each other and then connected together in parallel.