DE102007035329A1

DE102007035329A1 - Charge distribution by charge transfer within battery pack

Info

Publication number: DE102007035329A1
Application number: DE102007035329A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kohlrausch; Hartmut Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-29
Also published as: WO2009015960A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromausgleicher zum Ausgleichen von Ladeströmen in einer Batteriegruppe. Der Stromausgleicher umfasst: einen Vergleicher, ein Stromlenkungselement, das mit dem Vergleicher verbunden und von diesem gesteuert ist, einen Pufferspeicher für elektrische Energie sowie einen ersten Strompfad und einen zweiten Strompfad. Der erste Strompfad verbindet den Pufferspeicher über das Stromlenkungselement mit einem ersten Batterieanschluss und der zweite Strompfad verbindet den Pufferspeicher über das Stromlenkungselement mit einem zweiten Batterieanschluss. Der Stromausgleicher umfasst ferner einen Batterie-Ladungsstandsensor, der den Vergleicher mit einem Ist-Batterieladezustand versorgt, der an dem ersten Batterieanschluss anliegt. Der Vergleicher ist eingerichtet, den Ist-Batterieladezustand mit einem Soll-Batterieladezustand zu vergleichen und, wenn der Ist-Batterieladezustand über dem Soll-Batterieladezustand liegt, das Stromlenkungselement derart anzusteuern, dass das Stromlenkungselement den Pufferspeicher mit dem ersten Batterieanschluss verbindet und danach den Pufferspeicher mit dem zweiten Batterieanschluss verbindet.The invention relates to a current equalizer for balancing charging currents in a battery group. The current balancer comprises: a comparator, a current steering element connected to and controlled by the comparator, an electrical energy storage buffer, and a first current path and a second current path. The first current path connects the buffer memory via the current steering element with a first battery terminal and the second current path connects the buffer memory via the current steering element with a second battery terminal. The power balancer further includes a battery charge level sensor that provides the comparator with an actual battery state of charge applied to the first battery terminal. The comparator is configured to compare the actual battery state of charge with a desired battery state of charge and, when the actual battery state of charge is above the desired battery state of charge, to drive the current steering element such that the current steering element connects the buffer to the first battery terminal and then to the buffer memory connects to the second battery connector.

Description

Stand der TechnikState of the art

Aufladbare Batterien, d. h. Sekundärzellen können Schaden nehmen, wenn sie überladen werden oder zu stark entleert werden. Beispielsweise dürfen Li-Ionen-Sekundärbatteriezellen maximal auf eine Spannung von 4,0–4,5 V aufgeladen werden, und dürfen eine Spannung von 2–2,5 V nicht unterschreiten. Werden mehrere Zellen in einer Reihenschaltung zu einem Batteriepack verschaltet, um eine höhere Gesamtkapazität und Gesamtspannung zu erreichen, so genügt es nicht, die Gesamt-Batteriepackspannung zu überwachen. Auf Grund von fertigungsbedingten Streuungen der Kapazität und der parasitären Entladewiderstände befinden sich die Zellen in verschiedenen Ladezuständen, die im Lauf der Zeit durch sich periodisch wiederholende Lade- und Entladezyklen immer weiter auseinanderdriften. Ferner führt eine inhomogene Temperaturverteilung, die sich während des Betriebs innerhalb des Batteriepacks einstellt, zu einem Drift hinsichtlich der Ladezustände und der Batteriespannungen. Aus diesem Grund weisen die Batteriezellen innerhalb eines Batteriepacks beim Laden verschiedene Ladezustände auf und erreichen somit nicht gleichzeitig ihre Ladeendspannung bzw. einen Ladezustand von 100%. Dies führt zur Überladung einzelner Zellen, die somit geschädigt werden sowie zum mangelhaften Ausnutzen anderer Zellen. Ferner besteht beim Entladen des Batteriepacks die Gefahr, dass beim Erreichen der Entladeendspannung des Batteriepacks einzelne Batteriezellen unter ihre minimale Entladeendspannung entladen werden und somit geschädigt werden. Dies kann insbesondere zur Verpolung einzelner Batteriezellen und somit zu deren Zerstörung führen, wodurch das gesamte Batteriepack unbrauchbar wird. Durch eine zunehmende Anzahl von Lade/Entladezyklen verstärken sich die Unsymmetrien und es ergeben sich breit gestreute Werte für die Lebensdauer des Batteriepacks, da die Verpolung einzelner Zellen schwer geschätzt werden kann.rechargeable Batteries, d. H. Secondary cells can do harm take if they become overloaded or too drained become. For example, Li-ion secondary battery cells are allowed be charged to a maximum voltage of 4.0-4.5 V, and must not be less than 2-2.5V. If several cells in a series connection to a battery pack interconnected to a higher total capacity and To achieve total voltage, so it is not enough, the total battery pack voltage to monitor. Due to production-related variations capacitance and parasitic discharge resistances the cells are in different states of charge, in the course of time by periodically repeating loading and Discharge cycles drift further and further apart. Further leads an inhomogeneous temperature distribution that occurs during of operation within the battery pack, to drift in terms of state of charge and battery voltages. For this reason, the battery cells point inside a battery pack when loading different charging states and reach thus not at the same time their Ladeendspannung or a state of charge of 100%. This leads to the overload of individual Cells that are damaged as well as defective Exploiting other cells. Furthermore, there is the discharge of the battery pack the risk that when reaching the Entladeendspannung the battery pack discharge individual battery cells below their minimum discharge voltage be damaged and thus. This can be special to polarity reversal of individual battery cells and thus to their destruction lead, making the entire battery pack unusable. By increase an increasing number of charge / discharge cycles the asymmetries and wide scattered values result for the life of the battery pack, as the polarity reversal single cells can be difficult to estimate.

Um die Ungleichheiten zu vermeiden, sieht der Stand der Technik vor, die einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks zu überwachen und beim Erreichen der Ladeendspannung einer Zelle den weiteren Ladestrom für die anderen, noch nicht vollständig geladenen Batterie zellen, an der geladenen Zelle vorbei zu leiten, indem geschaltete Widerstandselemente verwendet werden.Around to avoid inequalities, the prior art to monitor the individual battery cells of the battery pack and upon reaching the charge end voltage of a cell, the further charge current for the others, not yet fully charged Battery cells conduct past the charged cell by switched Resistance elements are used.

Die Druckschrift JP-11178224 A beschreibt eine Zerhackerschaltung zum Erhöhen der Ladespannung für einen Lithium-Akkumulator. Die Druckschrift US 2006/0238165 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufwärmen von Lithium-Batterien, indem ein Ausgleichschaltkreis als dissipativer Widerstand ausgestattet ist. Die Ausgleichsströme werden verwendet, um die Akkumulatoren bei Kälte zu erwärmen.The publication JP-11178224 A describes a chopper circuit for increasing the charging voltage for a lithium secondary battery. The publication US 2006/0238165 A1 describes a method and apparatus for warming up lithium batteries by providing a compensation circuit as a dissipative resistor. The equalizing currents are used to heat the accumulators in cold weather.

Durch die Verwendung von Widerstandselementen wird zum Einen Wärme erzeugt, die für den Betrieb des Batteriepacks bei höheren Temperaturen kritisch ist, und ferner wird der Wirkungsgrad verringert, da die Widerstandselemente eine Verlustleistung in Form von Wärme erzeugen. Dadurch ist eine stärkere Kühlung erforderlich, um die Wärmeleistung der Widerstandselemente abzuführen, und/oder der Ladestrom muss aufgrund einer begrenzten Kühlleistung verringert werden, wodurch sich die Gesamtladezeit erhöht. Ferner ergeben sich durch die Widerstandselemente maximale Ladeströme, da die Nennleistung der Widerstandselemente zu deren Schutz nicht überschritten werden darf.By the use of resistive elements becomes heat on the one hand generated for operation of the battery pack at higher Temperatures is critical, and further reduces the efficiency, because the resistive elements have a power dissipation in the form of heat produce. This requires more cooling, to dissipate the heat output of the resistive elements, and / or the charging current must be due to a limited cooling capacity be reduced, which increases the total charging time. Furthermore, due to the resistance elements maximum charging currents, because the rated power of the resistive elements does not exceed their protection may be.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die von Widerstandselementen erzeugte Verlustleistung größtenteils oder vollständig vermieden. Sämtliche, mit der Erzeugung von Verlustleistung als Wärme verknüpften Nachteile treten mit dem erfindungsgemäßen Stromausgleicher und dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf. Insbesondere wird hierdurch der Wirkungsgrad erhöht, eine kürzere Ladezeit erreicht, ein erhöhter Ladestrom erzielt und ein deutlich höherer Ausgleichsstrom zur Symmetrierung der Batterien innerhalb des Batteriepacks ermöglicht.With the device according to the invention and the invention Method becomes the power loss generated by resistive elements largely or completely avoided. All, with the generation of power loss as heat associated disadvantages occur with the invention Current equalizer and the inventive method not up. In particular, this increases the efficiency, a shorter charging time reached, an increased charging current achieved and a much higher compensation current for balancing allows the batteries within the battery pack.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept besteht darin, die überschüssige Ladeenergie einer Batterie auf eine weitere Batterie zu übertragen, für die noch Ladeenergie erforderlich ist, indem die zu übertragende Energie in einen Pufferspeicher eingespeist wird und daraufhin an die zweite noch zu ladende Batterie übertragen wird. Die Erfindung ist nicht auf zwei Batterien beschränkt, sondern eignet sich im Allgemeinen für eine Batteriegruppe mit mindestens zwei Batterien, wobei von einer Erstuntergruppe (d. h. von einer ersten Batterie) Energie in einen Pufferspeicher eingespeist wird, die an eine zweite Untergruppe von Batterien (zweite Batterie) übertragen wird. Die gesamte Batteriegruppe kann somit Ladeenergie abgebende, Ladeenergie aufnehmende und auch hinsichtlich der Ladungsener gien neutrale Batterien bzw. Batterieelemente umfassen. Erfindungsgemäß wird überschüssige Energie weder teilweise über Widerstands-Umleitungsnetzwerke noch vollständig über Widerstands-Heizelemente in Wärme umgewandelt, sondern (abgesehen von ohmschen Verlustleistungskomponenten) in einem Energiespeicher zwischengespeichert und zeitversetzt an eine noch zu ladende Batterie oder Batteriegruppe abgegeben. Als Speicherelement, das in dem Pufferspeicher die Energie speichert, werden vorzugsweise Induktivitäten verwendet, die Energie von einem ersten Potentialniveau speichern können und an ein anderes Potentialniveau abgeben können, beispielsweise an ein Potentialniveau, das in Serienschaltung auf das erste Potentialniveau folgt. Ein derartiges Speicherelement erlaubt die Übertragung von einem ersten Reihenelement an ein weiteres Reihenelement, wobei die Reihenelemente seriell aneinandergeschlossene Batterien oder Batterieanschlüsse umfassen. Die Batterie muss nicht notwendigerweise an das direkt darauf folgende Reihenelement bzw. an die direkt darauffolgende Batterie weitergegeben werden, sondern kann auch an weitere Batterieelemente weitergegeben werden, so dass Energie von einem ersten Speicherelement zu einem nächsten Speicherelement, das einer weiteren Batterie zugeordnet ist, an weitere Speicherelemente oder Batterien weitergegeben werden kann, bis die gesamte, von dem ersten Speicherelement stammende Energie vollständig auf weitere Batterien verteilt ist. Die Weitergabe von Energie von einem Speicherelement zum darauf seriell folgenden nächsten Speicherelement erlaubt somit die Weitergabe von Energie an andere Potentialstufen, wobei dies nicht notwendigerweise die nächste darauf folgende Potentialstufe ist.The concept underlying the invention is to transfer the excess charging energy of a battery to another battery, for which still charging power is required by the energy to be transmitted is fed into a buffer memory and then transferred to the second battery still to be charged , The invention is not limited to two batteries, but is generally suitable for a battery pack having at least two batteries, from a first subset (ie from a first battery) energy is fed into a buffer memory, which is connected to a second subset of batteries (second battery ) is transmitted. The entire battery group can thus charging energy donating, charging energy absorbing and also with regard to the Charge Energies neutral batteries or battery elements include. According to the invention, excess energy is neither partially converted into heat via resistance bypass networks nor completely via resistance heating elements, but (apart from ohmic power loss components) is temporarily stored in an energy store and released in a time-delayed manner to a battery or battery group still to be charged. As a storage element that stores the energy in the buffer memory, inductors are preferably used, the energy from a first potential level and can deliver to another potential level, for example, to a potential level, which follows in series to the first potential level. Such a memory element allows the transmission of a first series element to another series element, wherein the series elements comprise serially connected batteries or battery terminals. The battery does not necessarily have to be forwarded to the directly following row element or to the directly following battery, but can also be passed on to further battery elements, so that energy from a first storage element to a next storage element, which is associated with another battery to Further memory elements or batteries can be passed on, until the entire, derived from the first memory element energy is completely distributed to other batteries. The transfer of energy from one storage element to the next storage element following it in series thus allows the transfer of energy to other potential levels, this not necessarily being the next level of potential following thereafter.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die überschüssige Ladeenergie entlang einer Reihenschaltung (oder auch Parallelschaltung) von Batterien mittels Speicherelementen weitergegeben, die die weiterzugebende Energie kapazitativ speichern. Somit kann eine Kapazität ein elektrostatisches Feld mittels überschüssiger Energie aufbauen und dieses an das nächste oder an ein anderes Speicherelement weitergeben.According to one Another embodiment of the invention is the excess Charge energy along a series connection (or parallel connection) of Batteries by means of memory elements passed, which pass the Save energy capacitively. Thus, a capacity an electrostatic field by means of excess Build up energy and this to the next or to one pass on another memory element.

Die Speicherelemente können somit als Induktivitäten oder als Kapazitäten ausgeführt werden. Innerhalb einer Schaltung können sowohl Induktivitäten als auch Kapazitäten als Speicherelemente verwendet werden, wenn die jeweils zugehörige Beschaltung verwendet wird.The Memory elements can thus be called inductors or as capacities. Within a circuit can both inductors as also capacities are used as storage elements if the associated wiring is used.

Der erfindungsgemäße Stromausgleicher umfasst folglich ein Stromlenkungselement sowie einen ersten und einen zweiten Strompfad. Im Falle eines Energieüberschusses bei einem ersten Batterieanschluss oder bei einer ersten Batterie verbindet das Stromlenkungselement den Pufferspeicher über einen ersten Strompfad mit dem ersten Batterieanschluss bzw. der ersten Batterie und verbindet daraufhin den Pufferspeicher über einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Batterieanschluss bzw. einer zweiten Batterie, um die zwischengespeicherte Energie an die zweite Batterie abzugeben. Um zu erkennen, dass an der ersten Batterie bzw. an dem ersten Batterieanschluss überschüssige Energie vorliegt, umfasst der Stromausgleicher einen Vergleicher, der den Ladezustand am ersten Batterieanschluss erfasst, beispielsweise durch einen Spannungsabgriff und dementsprechend den Pufferspeicher zum Aufladen des Pufferspeichers an einen ersten Batterieanschluss anschließt. Daraufhin verbindet das Stromlenkungselement den Pufferspeicher über den zweiten Strompfad mit dem zweiten Batterieanschluss, beispielsweise wenn die Aufladung des Pufferspeichers über den ersten Strompfad bereits eine bestimmte Zeitdauer angedauert hat, oder wenn der Pufferspeicher einen bestimmten Ladezustand erreicht hat. Dies wird beispielsweise erfasst, indem die Spannung oder der Strom am Pufferspeicher erfasst wird, um daraus auf den Ladezustand des Pufferspeichers zu schließen. Ferner kann das Aufladen des Pufferspeichers durch den ersten Batterieanschluss eine vorbestimmte Zeitdauer andauern, für die der Zusammenhang I(t) = 1/L∫U dtgilt, falls der Pufferspeicher eine Induktivität ist. Wenn näherungsweise angenommen werden kann, dass U über die betrachtet Zeitdauer konstant ist, oder wenn ein Mittelwert angenommen werden kann, gilt der Zusammenhang: I(t) = (Uzelle/L)·t. The current equalizer according to the invention thus comprises a current steering element and a first and a second current path. In the case of an excess of energy at a first battery terminal or at a first battery, the current steering element connects the buffer memory via a first current path with the first battery terminal or the first battery and then connects the buffer memory via a second current path with a second battery terminal or a second battery, to deliver the cached energy to the second battery. In order to detect that there is excess energy at the first battery or at the first battery terminal, the current equalizer comprises a comparator which detects the state of charge at the first battery terminal, for example by a voltage tap and accordingly connects the buffer memory for charging the buffer memory to a first battery terminal , Then, the current steering element connects the buffer memory via the second current path to the second battery terminal, for example, when the charging of the buffer memory has continued over the first current path for a certain period of time, or if the buffer has reached a certain state of charge. This is detected, for example, by the voltage or the current is detected at the buffer memory, in order to infer the state of charge of the buffer memory. Further, the charging of the buffer memory by the first battery terminal may continue for a predetermined period of time for which the relationship I (t) = 1 / L∫U dt applies if the buffer memory is an inductance. If it can be approximately assumed that U is constant over the period of time considered, or if an average value can be assumed, the relationship applies: I (t) = (U cell / L) * t.

In gleicher Weise ergibt sich der Ladezustand aus der Zeit bei Verwendung von Kapazitäten, wenn die Kapazität und der Innenwiderstand der ersten Kapazität bekannt ist durch die Formel U(t) = U0·(1 – e–t/τ),wobei gilt: τ = Rinnen·C. In the same way, the state of charge results from the time when using capacitors, when the capacity and the internal resistance of the first capacitor is known by the formula U (t) = U 0 · (1 - e -t / τ ) where: τ = R Inside · C.

Im Allgemeinen wird der Ist-Pufferladezustand entweder gemessen durch Erfassen eines Ladestroms oder einer Ladespannung (für eine Induktivität bzw. für eine Kapazität), oder wird geschätzt bzw. berechnet, beispielsweise durch Anwendung des Induktionsgesetzes indem eine Zeitdauer gemessen wird, die der Ladedauer des Speicherelements entspricht, d. h. die der Dauer der Zeitperiode entspricht, in der das Stromlenkungselement den Puf ferspeicher über den ersten Strompfad mit dem ersten Batterieanschluss verbindet. Erfindungsgemäß hat der Vergleicher somit eine Grundfunktion, die darin besteht, dass erkannt werden soll, ob am ersten Batterieanschluss eine Überladesituation vorliegt. Eine zweite, optionale Funktion des Vergleichers besteht darin, zu erfassen, bis zu welchem Zeitpunkt die Überladesituation vorliegt, wenn der Pufferspeicher elektrische Energie über den ersten Strompfad von dem ersten Batterieanschluss erhält. Vorzugsweise ist der Vergleicher jedoch eingerichtet, mittels Messung den Zeitpunkt zu erkennen, an dem der Pufferspeicher einen bestimmten Ladezustand erreicht hat, d. h. den Zeitpunkt, an dem dieser voll geladen ist. Alternativ kann dieser Zustand auch durch Festlegen einer bestimmten Zeitdauer, in der Strom über den ersten Strompfad fließt, festgelegt werden. Dies entspricht einer Vorabberechnung bzw. einer Schätzung, die auf Grund der Ladeeigenschaften des Pufferspeichers getätigt wird, d. h. auf Grund der Induktivität bzw. der Kapazität des Pufferspeichers. Daher steuert der Vergleicher das Stromlenkungselement an, um den richtigen Zeitpunkt zum Beenden des Schritts des Verbindens des Pufferspeichers mit einem ersten Batterieanschluss vorzusehen, beispielsweise über eine kontinuierliche oder periodische Messung des Ladezustands des Pufferspeichers oder über eine Timerfunktion, die die Zeitdauer des Verbindens über den ersten Strompfad steuert. Ferner ist der Vergleicher zur Ausführung einer zweiten Funktion eingerichtet, die darin besteht, das Stromlenkungselement derart anzusteuern, dass der Pufferspeicher über einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Batterieanschluss für die richtige Zeitdauer verbunden ist. Dies kann in gleicher Weise erreicht werden, indem der Ladezustand des Pufferspeichers gemessen wird oder indem eine ähnliche Timerfunktion vorgesehen wird, die jedoch die Länge des Entladens des Pufferspeichers steuert.In general, the actual buffer charge state is either measured by detecting a charging current or a charging voltage (for an inductance), or is estimated, for example, by applying the law of induction by measuring a period of time equal to the charging time of the storage element corresponds, ie corresponding to the duration of the time period in which the current steering element connects the buffer memory via the first current path to the first battery terminal. According to the invention, the comparator thus has a basic function, which is that it should be recognized whether there is an overload situation at the first battery connection. A second, optional function of the comparator is to detect until what time the overcharge situation exists when the buffer memory receives electrical energy over the first current path from the first battery terminal. Preferably, however, the comparator is set up to detect by means of measurement the point in time at which the buffer memory reaches a certain state of charge reached, ie the time at which it is fully charged. Alternatively, this state may also be determined by setting a certain period of time in which current flows over the first current path. This corresponds to a precalculation or an estimation which is made on the basis of the charging characteristics of the buffer memory, ie on the basis of the inductance or the capacity of the buffer memory. Therefore, the comparator controls the current steering element to provide the proper time to complete the step of connecting the buffer memory to a first battery terminal, for example via a continuous or periodic measurement of the state of charge of the buffer memory or via a timer function which determines the duration of the connection via the first battery terminal Current path controls. Further, the comparator is arranged to perform a second function, which is to drive the current steering element such that the buffer memory is connected via a second current path to a second battery terminal for the correct period of time. This can be achieved in the same way by measuring the state of charge of the buffer or by providing a similar timer function, but controlling the length of the discharge of the buffer.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Pufferspeicher als Induktivität ausgeführt, so dass diese über den ersten Strompfad geladen wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, woraufhin das Stromlenkungselement den Pufferspeicher über den zweiten Strompfad mit dem zweiten Batterieanschluss verbindet, um die als magnetische Energie gespeicherte elektrische Energie wieder abzurufen und an den zweiten Batterieanschluss zu liefern. In diesem Fall sind der erste Batterieanschluss und der zweite Batterieanschluss Teil einer Batterie-Reihenschaltung, wobei der erste und der zweite Batterieanschluss einem Pluspol von zwei verschiedenen Batterien zugeordnet sind, wobei die Batterien in Reihenschaltung verknüpft sind. In diesem Fall ist der erfindungsgemäße Stromausgleicher als Ladespannungsausgleicher vorgesehen und nicht als Ladestromausgleicher, wie er im Falle einer Parallelschaltung und einer Verwendung einer Kapazität als Pufferspeicher vorgesehen wäre. Der Vergleicher vergleicht in dieser Vorrichtung den Ist-Batterieladezustand über einen Abgriff der Spannung, die am ersten Batterieanschluss anliegt. Der Soll-Batterieladezustand entspricht in diesem Fall einer Nenn-Batteriespannung, d. h. der Ladeendspannung einer Zelle, die an den Batterieanschluss angeschlossen wird, beispielsweise bei einer Li-Ionen-Batterie einer Ladeendspannung von 4,1–4,2 V. Falls die Soll-Batteriespannung die Nenn-Batteriespannung übersteigt, so erfasst dies der Vergleicher und steuert dementsprechend das Stromlenkungselement. In diesem Fall muss Energie von dem ersten Batterieanschluss an einen weiteren, beispielsweise an den zweiten Batterieanschluss über die Zwischenspeicherung in dem Pufferspeicher übertragen werden. Als zweite Funktion erfasst der Vergleicher, ob der Pufferspeicher voll geladen ist bzw. einen Nenn-Ladestand erreicht, indem der Strom gemessen wird, der durch die Induktivität fließt, welche den Pufferspeicher darstellt. Der Ladestrom des Pufferspeichers steigt gemäß dem Induktionsgesetz an, wobei das Erreichen eines bestimmten Stroms dem Erreichen eines Nenn-Ladezustands entspricht. Erfasst dies der Vergleicher, so steuert dieser das Stromlenkungselement an, um den zweiten Strompfad zwischen dem Pufferspeicher und einem zweiten Batterieanschluss zu schließen. Auf diese Weise entlädt sich der Pufferspeicher in den zweiten Batterieanschluss.According to one preferred embodiment of the invention is the buffer memory designed as an inductor, so this over the first current path is loaded to generate a magnetic field, whereupon the current steering element over the buffer memory connects the second current path to the second battery terminal, around the electrical energy stored as magnetic energy again and deliver it to the second battery connector. In this Case are the first battery terminal and the second battery terminal Part of a battery series circuit, wherein the first and the second Battery connection one positive pole of two different batteries are associated, the batteries linked in series are. In this case, the inventive Current equalizer provided as a charging voltage equalizer and not as a charging current equalizer, as in the case of a parallel connection and using a capacity as a buffer memory would be provided. The comparator compares in this device the actual battery state of charge via a tap of the voltage, the on the first battery connection. The nominal battery charge level in this case corresponds to a rated battery voltage, i. H. of the End of charge voltage of a cell connected to the battery connector is, for example, in a Li-ion battery a Ladeendspannung from 4.1-4.2 V. If the nominal battery voltage exceeds the nominal battery voltage, this is what the comparator detects and controls accordingly Power steering unit. In this case, energy must be from the first battery connection to another, for example to the second battery connection via transfer the buffering in the buffer memory become. As a second function, the comparator detects whether the buffer memory is fully charged or reaches a nominal charge level by the current is measured, which flows through the inductance, which represents the buffer memory. The charging current of the buffer memory rises according to the law of induction, the Reaching a certain current to reach a nominal state of charge equivalent. If this is detected by the comparator, then this controls the current-steering element to the second rung between the buffer memory and a Close the second battery connection. In this way discharges the buffer memory is in the second battery connection.

Alternativ kann der Stromausgleicher auch in komplementärer Ausführung ausgebildet sein, d. h. für eine Batterie-Parallelschaltung. In diesem Fall ist der Pufferspeicher vorzugsweise eine Kapazität, und, gemäß der Parallelschaltung, der erste Batterieanschluss parallel mit dem zweiten Batterieanschluss verknüpft. Dementsprechend umfasst der Batterie-Ladungsstandsensor einen Abgriff einer Batteriespannung am ersten Batterieanschluss, die eine Überladungssituation am ersten Batterieanschluss durch Spannungsmessung erfasst. Das Erfassen dieser Situation lässt entweder ein Zeitintervall auf, für das der Pufferspeicher über den ersten Strompfad mit dem ersten Batterieanschluss verbunden ist, um entsprechend aufgeladen zu werden, oder Rist eine kontinuierliche oder periodische Messreihe aus, die die Ladespannung am Pufferspeicher erfasst. Somit kann die Ist-Kapazitätsspannung, die den Ist-Pufferladezustand wiedergibt, mit einer Nenn-Kapazitätsspannung verglichen werden, die dem Soll-Pufferladezustand entspricht. Ist dieser erreicht, so wird der Pufferspeicher über den zweiten Strompfad mit dem zweiten Batterieanschluss verbunden, um die in dem Pufferspeicher gespeicherte Energie an den zweiten Batterieanschluss abzugeben. Wie bereits bemerkt, kann alternativ zur Erfassung und dem Vergleich der Ist-Kapazitätsspannung mit der Nenn-Kapazitätsspannung auch eine vorgegebene Zeitdauer vorgesehen werden, in der der Pufferspeicher (die Kapazität) mit dem ersten Batterieanschluss verbunden ist, um Energie aufzunehmen. Die Zeitdauer bemisst sich nach der Kapazität und dem Innenwiderstand bzw. dem Ladestrom, der sich beim Laden des Pufferspeichers ergibt.alternative The current equalizer can also be complementary be educated, d. H. for a battery parallel connection. In this case, the buffer memory is preferably a capacity, and, according to the parallel connection, the first battery connection linked in parallel with the second battery connection. Accordingly For example, the battery charge level sensor includes a tap of a battery voltage at the first battery connection, which is an overload situation detected at the first battery connection by voltage measurement. The Capturing this situation either leaves a time interval for which the cache over the first Current path is connected to the first battery terminal to correspondingly to be charged, or Rist a continuous or periodic Measurement series that detects the charging voltage at the buffer memory. Thus, can the actual capacitance voltage, which is the actual buffer charge state is compared to a nominal capacitance voltage which corresponds to the desired buffer charge state. Is this achieved, so the buffer is on the second rung with connected to the second battery terminal to those in the buffer memory store stored energy to the second battery connector. As already noted, as an alternative to detection and comparison the actual capacitance voltage with the nominal capacitance voltage Also be provided a predetermined period of time in which the buffer memory (the capacity) connected to the first battery connector is to absorb energy. The duration is measured by the Capacitance and the internal resistance or the charging current, the results when loading the buffer memory.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, in der der Pufferspeicher als Induktivität vorgesehen ist, und der erste und der zweite Batterieanschluss zueinander in Reihe geschaltet sind, umfasst der erste Strompfad ein Strom-Messelement zum Erfassen des Ladestroms beim Aufladen des Pufferspeichers durch den ersten Batterieanschluss. Das Strommesselement ist eingerichtet, den Ladestrom zu erfassen und somit den Zeitpunkt zu erfassen, an dem das Pufferelement ausreichend geladen ist. Zum Erfassen des Stroms ist das Strom-Messelement einteilig mit dem Stromlenkungselement ausgeführt, beispielsweise als Sense-MOSFET-Transistor. Ferner kann der erste Strompfad einen Shunt-Widerstand umfassen, an dem eine Spannung abfällt, die proportional zum Ladestrom des Pufferspeichers ist. Ferner kann das Stromlenkelement einen Sättigungsabgriff umfassen, wenn das Stromlenkungselement als Transistor ausgeführt ist. Das Sättigungselement gibt somit die Sättigungsspannung des Transistors wieder, die proportional zum Strom ist, der durch das Stromlenkungselement (Transistor) fließt. Dieser Strom wiederum entspricht dem Ladestrom des Pufferspeichers. Aus der Sättigungsspannung lässt sich somit direkt in proportionalem Verhältnis auf den Ladestrom des Pufferspeichers schließen. Der Sättigungsabgriff kann die Spannung zwischen Drain und Source eines FET sein, der das Stromlenkungselement bildet, oder kann die Kollektor-Emitterspannung eines Transistors sein, der das Stromlenkungselement bildet.According to the preferred embodiment, in which the buffer memory is provided as inductance, and the first and the second battery terminal are connected in series with each other, the first current path comprises a current measuring element for detecting the charging current during charging of the buffer memory by the first battery terminal. The current measuring element is set up to detect the charging current and thus to detect the point in time at which the buffer element is sufficiently charged. For detecting the current, the current measuring element is designed in one piece with the current-steering element, for example as a sense MOSFET transistor. Furthermore, the first current path may include a shunt resistor, at which a voltage drops that is proportional to the charging current of the buffer memory. Further, the current steering element may comprise a saturation tap when the current steering element is designed as a transistor. The saturation element thus reflects the saturation voltage of the transistor which is proportional to the current flowing through the current steering element (transistor). This current in turn corresponds to the charging current of the buffer memory. From the saturation voltage can thus close directly in proportionate ratio to the charging current of the buffer memory. The saturation tap may be the voltage between the drain and source of a FET that forms the current steering element or may be the collector-emitter voltage of a transistor that forms the current steering element.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Strompfad eine Diode, die vom Pufferspeicher zum zweiten Batterieanschluss hinleitet. Auf diese Weise unterbindet die Diode einen Stromfluss vom zweiten Batterieanschluss zum Pufferspeicher, dessen Spannung geringer als die des zweiten Batterieanschlusses ist, d. h. wenn der Pufferspeicher nur unzureichend geladen ist. Ferner dient die Diode der Übertragung von elektrischer Leistung von dem Pufferspeicher zu dem zweiten Batterieanschluss, wenn der Pufferspeicher eine höhere Spannung als der zweite Batterieanschluss aufweist. Dies ist der Fall, wenn der Pufferspeicher ausreichend geladen ist und somit elektrische Energie in Form eines Ladestroms durch den zweiten Strompfad und somit durch die Diode zum zweiten Batterieanschluss leitet. Die Verwendung einer Diode innerhalb des zweiten Strompfads sieht somit inhärent die Funktion vor, den Ladezustand des Pufferspeichers mit dem Ladezustand des zweiten Batterieanschlusses an Hand der jeweiligen Spannung zu vergleichen und gegebenenfalls einen Ladungsstrom ausgehend vom Pufferspeicher zum ersten Batterieanschluss hin zu ermöglichen. In dieser Ausführung, in der die Diode sowohl die Funktion des Vergleichens als auch die Funktion des Steuerns des Ladestroms für den zweiten Batterieanschluss übernimmt, ist keine aktive Messung eines Spannungsunterschieds zwischen Pufferspeicher und zweitem Batterieanschluss notwendig. Vielmehr ergibt sich der Vergleich und der darauf folgende Stromfluss aus den inhärenten Eigenschaften der Diode sowie aus der Verknüpfung mit der restlichen Stromausgleicherschaltung.According to one In another embodiment, the second current path comprises a Diode leading from the buffer to the second battery connector. On In this way, the diode prevents current flow from the second battery terminal to the buffer memory whose voltage is lower than that of the second battery terminal is, d. H. if the buffer is insufficiently charged. Furthermore, the diode is used for the transmission of electrical Power from the buffer memory to the second battery terminal, if the buffer has a higher voltage than the second one Battery connection has. This is the case when the buffer memory is sufficiently charged and thus electrical energy in the form of a charging current through the second current path and thus through the diode to the second Battery connection conducts. The use of a diode within the Secondary current paths thus inherently provides the function, the Charge state of the buffer with the state of charge of the second Compare battery connection on the basis of the respective voltage and optionally a charge flow from the buffer memory to enable the first battery connection. In this Embodiment in which the diode is both the function of comparison as well as the function of controlling the charging current for the second battery connection is not an active measurement a voltage difference between buffer memory and second Battery connection necessary. Rather, the comparison results and the subsequent current flow from the inherent properties the diode and the link with the rest of the current balancing circuit.

Vorzugsweise umfasst der Vergleicher einen ersten Komparator, der den Ist-Batterieladezustand am ersten Batterieanschluss, beispielsweise in Form der dort anliegenden Spannung, mit einer Referenzspannungsquelle vergleicht und ein binäres Signal ausgibt, das einen ersten Zustand aufweist, wenn der Ist-Batterieladezustand unter dem Soll-Batterieladezustand liegt und einen zweiten Zustand aufweist, wenn der Ist-Batterieladezustand über dem Soll-Batterieladezustand liegt. Der erste Komparator kann als Operationsverstärker mit invertiertem und nicht invertiertem Eingang oder als Binärkomparator vorgesehen sein. Die Referenzspannungsquelle kann mittels einer Z-Diode, eines Spannungsteilers, einer Kombination hiervon oder als integrierte Referenzspannungsquelle vorgesehen sein.Preferably For example, the comparator includes a first comparator that estimates the actual battery state of charge on first battery connection, for example in the form of the adjacent there Voltage, compared with a reference voltage source and a binary Output signal having a first state when the actual battery state of charge is below the desired battery state of charge and a second state when the actual battery state of charge is above the desired battery state of charge lies. The first comparator can be used as an operational amplifier with inverted and non-inverted input or as binary comparator be provided. The reference voltage source can by means of a Zener diode, a voltage divider, a combination thereof or be provided as an integrated reference voltage source.

Vorzugsweise umfasst der Vergleicher einen zweiten Komparator, welcher das Stromlenkungselement umfasst. Die Funktion des zweiten Komparators wird durch das Stromlenkungselement vorgesehen, indem dieses als Transistor vorgesehen ist und mit dem Pufferspeicher in der Emitterschaltung verbunden ist. Die Emitterschaltung sieht als inhärente Eigenschaft die Funktion des zweiten Komparators vor, indem der als Schalter arbeitende Transistor nichtleitend wird, wenn der Strom durch den als Induktivität vorgesehenen Pufferspeicher einen bestimmten Wert übersteigt. Bei einem Ist-Ladezustand des Pufferspeichers, der einem hohen Ladezustand der Induktivität entspricht, ergibt sich, zusammen mit dem Transistor, eine automatische Abschaltung der Ladung des Pufferspeichers (Induktivität), sowie eine Entladung des Pufferspeicher, der sich über den zweiten Strompfad zu dem zweiten Batterieanschluss hin entladen kann. Die Emitterschaltung des Stromlenkungselements sieht somit als inhärente Eigenschaft den Vergleich des Ist-Pufferladezustands mit einem Soll-Pufferladezustand vor, und realisiert gleichzeitig das Umschalten von dem ersten Strompfad auf den zweiten Strompfad, über den der zweite Batterieanschluss mit dem Pufferspeicher verbunden ist. Ist ferner eine Diode wie oben beschrieben im zweiten Strompfad vorgesehen, so übernimmt diese die Funktion der Unterbrechung des ersten Strompfads, während der zweite Strompfad das Pufferelement mit dem zweiten Batterieanschluss verbindet.Preferably the comparator comprises a second comparator, which the current steering element includes. The function of the second comparator is through the current steering element provided by this is provided as a transistor and with the Buffer memory is connected in the emitter circuit. The emitter circuit sees as an inherent property the function of the second Comparator ago by the transistor acting as a switch non-conductive when the current is provided by the inductor Buffer exceeds a certain value. At a Actual state of charge of the buffer memory, the high state of charge of the Inductance corresponds, results, together with the Transistor, an automatic shutdown of the charge of the buffer memory (Inductance), as well as a discharge of the buffer memory, extending across the second current path to the second battery terminal can discharge. The emitter circuit of the current steering element sees as an inherent property the comparison of the Actual buffer charge state with a target buffer charge state before, and simultaneously realizes the switching from the first current path on the second current path, over which the second battery connection connected to the buffer memory. Is also a diode like described above, provided in the second current path, so takes over this the function of interrupting the first current path while the second current path the buffer element with the second battery terminal combines.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept wird ferner von einer Batteriegruppe realisiert, die mehrere aufladbare, miteinander verbundene Batterien aufweist. Vorzugsweise umfasst die Batteriegruppe mindestens einen erfindungsgemäßen Stromausgleicher. Hierbei ist der erste Batterieanschluss mit der mindestens einen Batterie verbunden, die dem Stromausgleicher zugeordnet ist, und der zweite Batterieanschluss ist mit einer weiteren der mehreren miteinander verbundenen Batterien verbunden. Die mehreren Batterien sind vorzugsweise Reihe oder parallel miteinander verknüpft. Die Batteriegruppe kann Teil eines Batteriepacks sein, in dem weitere Batterien vorgesehen sind, welche in gleicher Weise wie die Batteriegruppe oder in einer anderen Weise miteinander verbunden sind. Die Batteriegruppe umfasst vorzugsweise mindestens einen Gruppenanschluss, der einen Pluspol sowie einen Minuspol umfasst, der mit den Batterien der Batteriegruppe verbunden ist. Der Gruppenanschluss dient daher als Schnittstelle zu externen Verbrauchern oder zu externen Ladegeräten.The concept underlying the invention is further realized by a battery group having a plurality of rechargeable, interconnected batteries. The battery group preferably comprises at least one current equalizer according to the invention. Here, the first battery terminal is connected to the at least one battery, which is associated with the current equalizer, and the second battery terminal is connected to a further of the plurality of interconnected batteries. The plurality of batteries are preferably linked in series or in parallel. The battery group may be part of a battery pack in which further batteries are provided, which in same as the battery group or in any other way connected to each other. The battery group preferably comprises at least one group connection, which comprises a positive pole and a negative pole, which is connected to the batteries of the battery group. The group connection therefore serves as an interface to external consumers or external chargers.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Batteriegruppe ferner eine Stromversorgungsschaltung für die Komparatoren sowie für die Referenzspannungsquellen.In Another embodiment of the invention comprises Battery group further comprises a power supply circuit for the comparators and the reference voltage sources.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept wird ferner von einem Verfahren vorgesehen, das Schritte aufweist, zunächst einen Ladestrom zu einer ersten Batterie zu leiten, den Ist-Batterieladezustand der ersten Batterie zu erfassen, zumindest einen Teil oder den gesamten Ladestrom an einen Pufferspeicher weiterzuleiten, wenn der Ist-Batterieladezustand der ersten Batterie über einem Soll-Batterieladezustand liegt und daraufhin Strom ausgehend von dem Pufferspeicher an die zweite Batterie zu leiten. Das Leiten des Ladestroms zur ersten Batterie entspricht dem Verbinden über den ersten Strompfad, und das Leiten von Strom ausgehend von dem Pufferspeicher an die zweite Batterie entspricht dem Leiten von Strom durch den zweiten Strompfad. Um die Schritte des Leitens durch den ersten bzw. zweiten Strompfad vorzusehen, kann das Verfahren einen Schritt des Umschaltens der Verbindung umfassen, die den Pufferspeicher mit der ersten bzw. zweiten Batterie verbindet, beispielsweise durch entsprechendes Ansteuern eines Stromlenkungselements.The The concept underlying the invention is further based on a method provided, the steps, first a charging current to conduct to a first battery, the actual battery state of charge the first battery to capture, at least part or all Forward charging current to a buffer memory when the actual battery state of charge the first battery over a desired battery state of charge and then current from the buffer memory to the to conduct the second battery. Passing the charging current to the first Battery corresponds to the connection via the first current path, and passing power from the buffer memory to the second battery corresponds to the passage of electricity through the second Current path. To the steps of passing through the first or second Provide current path, the process can be a step of switching the connection comprising the buffer memory with the first or second battery connects, for example by appropriate Driving a current steering element.

Vorzugsweise wird der Pufferspeicher zunächst mit elektrischer Energie aufgeladen, die der Pufferspeicher in ein elektrisches oder magnetisches Feld umwandelt. Daraufhin wird das in dem Pufferspeicher aufgebaute Feld wieder abgebaut, um dieses in elektrische Energie zu verwandeln, die an die zweite Batterie geleitet wird. Der Abbau elektrischer Energie kann dadurch geschehen, dass ein als Kapazität vorgesehener Pufferspeicher an eine zweite Batterie mit geringerer Spannung angeschlossen wird und durch den Spannungsausgleich, der durch die Spannungsdifferenz ausgelöst wird, ein Ladestrom hervorgerufen wird, der von dem Pufferspeicher zu der zweiten Batterie führt. Ferner wird das magnetische Feld abgebaut, indem kein weiterer Strom mehr zugeführt wird und somit durch Anschließen an die zweite Batterie die Induktivität, die der Pufferspeicher vorsieht, als Strompumpe für die zweite Batterie dient. Der dabei fließende Ladungsstrom hängt von der Spannungsdifferenz zwischen Pufferspeicher und zweiter Batterie ab sowie von dem Induktivitätswert des Pufferspeichers.Preferably The buffer is first with electrical energy charged, the cache into an electric or magnetic field transforms. Thereafter, the field built up in the buffer memory becomes dismantled again to turn it into electrical energy, which is routed to the second battery. The removal of electrical energy can be done by having one as a capacity Buffer is connected to a second battery with a lower voltage and by the voltage compensation, by the voltage difference is triggered, a charging current is caused by leads the buffer memory to the second battery. Further The magnetic field is broken down by no more electricity is supplied and thus by connecting to the second battery is the inductor, the buffer provides as a power pump for the second battery is used. The charge current flowing depends on the Voltage difference between buffer and second battery as well as from the inductance value of the buffer memory.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren einen Schritt des Erfassens des Ist-Batterieladezustands durch Messen einer Spannung, die an der ersten Batterie (und an dem ersten Batterieanschluss) anliegt, indem der Ladestrom gemessen wird, der zu der ersten Batterie (zu dem ersten Batterieanschluss führt) oder indem die Flussrichtung des Ladestroms erfasst wird, der an die erste Batterie fließt. Bei dem Erfassen der Flussrichtung ergibt sich eine Flussrichtung zur ersten Batterie hin, wenn die an der Batterie anliegende Ladespannung größer als die der ersten Batterie ist, und somit die erste Batterie noch aufgeladen werden soll oder, wenn die erste Batterie bereits überladen ist, ein Stromfluss von der ersten Batterie in entgegengesetzter Richtung zur Ladespannungsquelle hin. Eine Umkehrung der Flussrichtung kann beispielsweise auftreten, wenn die erste Batterie und somit alle Batterien, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich der Ladeströme ausgeglichen werden, zunächst mit einem Konstantstrom geladen werden, und dann auf eine Konstantladespannung umgeschaltet wird, oder umgekehrt. Ist beispielsweise eine Batterie bereits durch einen Konstantladestrom überladen, woraufhin die Batterie mit einer Ladespannung beaufschlagt wird, die der Nennspannung der Batterie entspricht, dann dreht sich in diesem Fall die Flussrichtung des Ladestroms um, wenn von der Ladung mit Konstantstrom auf eine Ladung mit Konstantspannung umgeschaltet wird.Preferably The method comprises a step of detecting the actual battery state of charge Measuring a voltage applied to the first battery (and to the first battery Battery connection) is applied by the charging current is measured, the to the first battery (leading to the first battery connection) or by detecting the flow direction of the charging current which is applied to the first battery flows. When detecting the flow direction a flow direction results towards the first battery when the larger charging voltage applied to the battery than the first battery, and thus the first battery still or if the first battery is already overcharged is a current flow from the first battery in opposite Direction to the charging voltage source. A reversal of the flow direction can For example, when the first battery and thus all Batteries using the method according to the invention Regarding the charging currents are compensated, first are charged with a constant current, and then to a constant charge voltage is switched, or vice versa. For example, is a battery already overloaded by a constant charging current, whereupon the battery is charged with a charging voltage that is the rated voltage corresponds to the battery, then turns in this case, the flow direction of the charging current, when from the charge with constant current to a charge is switched with constant voltage.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.

Es zeigenIt demonstrate

1 eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Stromausgleichers; 1 a preferred embodiment of a Stromausgleichers invention;

2 eine Batteriegruppe mit mehreren Batterien und mehreren zugehörigen erfindungsgemäßen Stromausgleichern und die 2 a battery group with a plurality of batteries and a plurality of associated Stromausgleichern invention and the

3 ein Schaltungsschema für eine alternative Kombination von Batterien mit erfindungsgemäßen Stromausgleichern gemäß einer alternativen Ausführung 3 a circuit diagram for an alternative combination of batteries with current equalizers according to the invention according to an alternative embodiment

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromausgleichers mit einem Batterieelement 1, einer Induktivität 2, einer Diode 3, einem Komparator 4, einer Referenzspannungsquelle 5, einem Schaltelement 6 und einem Shunt-Widerstand 7. Die Spannung der Batteriezelle 1 liegt an dem nicht invertierten Eingang des Komparators 4 an, der die Batteriespannung mit der Referenzspannungsquelle 5 vergleicht.The 1 shows a preferred embodiment of the current equalizer according to the invention with a battery element 1 , an inductance 2 , a diode 3 , a comparator 4 , a reference voltage source 5 , a switching element 6 and a shunt resistor 7 , The voltage of the battery cell 1 is at the non-inverted input of the comparator 4 indicating the battery voltage with the reference voltage source 5 compares.

Liegt die Spannung des Batterieelements 1 unter der Referenzspannung, so leitet das Schaltelement 6 nicht. In diesem Fall wird das Batterieelement 1 über sich in Serie an das Batterieelement 1 anschließende Batterieelemente aufgeladen. Wenn der Komparator 4 eine Spannung des Batterieelements 1 erfasst, die höher als die Nennspannung ist, die von der Referenzspannungsquelle 5 vorgegeben wird, dann steuert diese das Schaltelement 6 an, so dass dieses leitend wird. In diesem Fall fließt durch den Shunt-Widerstand 7 und durch das Schaltelement 6 ein Strom durch die Induktivität 2, die einen Induktivitätswert von L aufweist. Durch diesen Stromfluss fließt weniger Strom durch die Batteriezelle. Ferner wird gegebenenfalls in der Batteriezelle 1 vorliegende Ladung durch den Stromfluss durch die Induktivität 2 hindurch abgebaut. Liegt dieser Strom über einem oberen Grenzwert, so öffnet sich der Schalter 6 auf Grund der Potentialänderung, welche durch die Spannung hervorgerufen wird, die an dem Shunt-Widerstand abfällt. Auf Grund des geöffneten Schalters, der somit einen Stromfluss durch den Shunt-Widerstand verhindert, fließt Strom über die Diode 3 in die sich oben anschließende Batterie. Auf diese Weise wird überschüssige Ladung einer anderen Zelle zur Verfügung gestellt, die noch nicht ihre Ladeendspannung erreicht hat. Insbesondere die Diode 3 und deren Schaltung sieht vor, dass darauf folgende Batterieelemente nur geladen werden, wenn deren Spannung geringer als die Spannung des Batterieelements 1 ist.Is the voltage of the battery element 1 below the reference voltage, so does the switching element 6 Not. In this case, the battery element becomes 1 in series with the battery element 1 charged subsequent battery elements. If the comparator 4 a voltage of the battery element 1 which is higher than the rated voltage of the reference voltage source 5 is given, then this controls the switching element 6 so that it becomes conductive. In this case flows through the shunt resistor 7 and by the switching element 6 a current through the inductance 2 having an inductance value of L. As a result of this current flow, less current flows through the battery cell. Further, if necessary, in the battery cell 1 present charge due to the current flow through the inductance 2 mined through. If this current is above an upper limit, the switch opens 6 due to the potential change caused by the voltage dropping across the shunt resistor. Due to the open switch, which thus prevents a current flow through the shunt resistor, current flows through the diode 3 in the battery connecting upstairs. In this way, excess charge is made available to another cell that has not yet reached its charge end voltage. In particular, the diode 3 and their circuit provides that subsequent battery elements are only charged when their voltage is lower than the voltage of the battery element 1 is.

In der 1 führt der erfindungsgemäße erste Strompfad durch den Shunt-Widerstand 7 durch den als Stromlenkungselement 6 vorgesehenen MOSFET-Transistor und durch die Induktivität 2. Der Strom des Strompfads wird von der Spannung an dem Batterieanschluss 10a, b hervorgerufen. Die an dem Batterieanschluss 10a, b abfallende Spannung ergibt sich durch das Batterieelement 1, dessen Innenwiderstand sowie durch den Strom, der von anderen Batterieelementen, die auf das Batterieelement 1 folgen, aufgeprägt wird. Aus 1 ist zu erkennen, dass dieser Strom zur Aufladung der Induktivität L bzw. zum Aufbau des zugehörigen Magnetfeldes führt.In the 1 leads the first current path according to the invention by the shunt resistor 7 by the as a current steering element 6 provided MOSFET transistor and through the inductance 2 , The current of the current path is determined by the voltage at the battery connection 10a , b. The at the battery connection 10a , b falling voltage results from the battery element 1 , its internal resistance as well as by the current supplied by other battery elements that are on the battery element 1 follow, be imprinted. Out 1 It can be seen that this current leads to the charging of the inductance L or to the construction of the associated magnetic field.

Der zweite Strompfad ergibt sich bei geöffnetem Stromlenkungselement 6 durch die Diode 3 hindurch und führt zum Stromfluss zu einem zweiten Batterieanschluss 11a, b, der einem weiteren Batterieelement zugeordnet ist. Ist der zweite Strompfad aktiv, so pumpt die Induktivität 2 den darin gespeicherten Strom über die Diode 3, die in Flussrichtung geschaltet ist, zum nächsten Batterieanschluss 11a, b. Während die Induktivität bei aktivem ersten Strompfad dem Batterieelement 1 und der zugehörigen Potentialstufe zugeordnet ist, entleert sich die Induktivität 2 über den zweiten Strompfad, d. h. über die Diode 3 in die darauf folgende Batterie, die der nächsthöheren Potentialstufe zugeordnet ist. Mit anderen Worten nimmt die Induktivität, die in 1 als Pufferspeicher vorgesehen ist, den über schüssigen Strom aus einer ersten Potentialstufe und entlädt diese Energie in die nächste Potentialstufe.The second current path results when the current-steering element is open 6 through the diode 3 through and leads to the flow of current to a second battery connection 11a , B, which is associated with another battery element. If the second current path is active, the inductance pumps 2 the current stored in it via the diode 3 , which is connected in the flow direction, to the next battery connection 11a , b. While the inductance with active first current path to the battery element 1 and associated with the associated potential level, the inductance emptied 2 over the second current path, ie via the diode 3 in the following battery, which is assigned to the next higher potential level. In other words, the inductance decreases in 1 is provided as a buffer, the schüssigen over current from a first potential level and discharges this energy in the next potential level.

In der 1 ist das Batterieelement ein Li-Ionen-Element, die Induktivität wird beispielsweise als Ringkerndrossel mit hohem Induktivitätswert und die Diode 3 als Hochleistungsdiode mit geringer Durchlassspannung vorgesehen. Vorzugsweise ist die Diode 3 eine Schottky-Diode. Der Shunt-Widerstand 7 ist vorzugsweise derart vorgesehen, dass bei Überschreiten einer durch den Widerstandswert vorgegebenen Schwellspannung der Stromfluss durch das Schaltelement 7 entsprechend unterbunden wird. Der Schwellwert ist ferner durch die Eigenschaften des Stromlenkungselements 6 bestimmt, das als MOSFET-Transistor vorgesehen sein kann. Der Vergleicher 4 kann als Operationsverstärker vorgesehen sein. Die Referenzspannungsquelle ist vorzugsweise eine Zener-Diode, die in Sperrrichtung über einen bestimmten Vorwiderstand, in der 1 als Stromquelle dargestellt, vorgespannt wird. Der Verknüpfungspunkt zwischen Vorwiderstand und Zener-Diode dient als Potentialreferenz für den invertierten Eingang des Operationsverstärkers 4. Die Induktivität 2 kann intern, zusammen mit der Diode, dem Komparator 4, der Referenzspannungsquelle 5, dem Stromlenkungselement 6 und dem Shunt-Widerstand 7 vorgesehen sein, oder kann extern hierzu in Form von Anschlussklemmen an diese Schaltung angeschlossen sein. Ferner ist die gesamte Stromausgleicherschaltung über einen Batterieanschluss 11a, b mit einer zugehörigen Batterie 1 verbunden. Ferner wird der Operationsverstärker 4 vorzugsweise mit einer externen Versorgungsspannungsquelle versorgt, deren Masse mit dem Masseanschluss der Batterie-Reihenschaltung verbunden ist. Die in 1 dargestellte Schaltung dient zum Ausgleichen des Ladestroms des ersten Batterieelements, dessen Minuspol die Masse der Batteriereihenschaltung bildet.In the 1 For example, the battery element is a Li-ion element, the inductance is, for example, a ring inductor with high inductance and the diode 3 designed as a high-power diode with low forward voltage. Preferably, the diode 3 a Schottky diode. The shunt resistor 7 is preferably provided such that when exceeding a predetermined threshold by the resistance value, the current flow through the switching element 7 is prevented accordingly. The threshold value is further determined by the properties of the current steering element 6 determined, which may be provided as a MOSFET transistor. The comparator 4 can be provided as an operational amplifier. The reference voltage source is preferably a Zener diode, in the reverse direction via a certain series resistor, in the 1 as a power source, is biased. The node between the series resistor and Zener diode serves as a potential reference for the inverted input of the operational amplifier 4 , The inductance 2 can internally, together with the diode, the comparator 4 , the reference voltage source 5 , the current steering element 6 and the shunt resistor 7 be provided, or may be connected externally thereto in the form of terminals to this circuit. Further, the entire current balancing circuit is via a battery terminal 11a , b with an associated battery 1 connected. Further, the operational amplifier becomes 4 preferably supplied with an external supply voltage source whose mass is connected to the ground terminal of the battery series circuit. In the 1 shown circuit is used to equalize the charging current of the first battery element whose negative terminal forms the ground of Batteriereihenschaltung.

Die 2 zeigt eine Batteriengruppe von N Batterien, von denen wiederum vier dargestellt sind. Jedes Batterieelement ist an einem zugehörigen erfindungsgemäßen Stromausgleicher angeschlossen. Die Stromausgleicher sind, mit Ausnahme der äußersten Schaltungen, identisch und miteinander in einer sich wiederholenden Weise verbunden. Die Batterieelemente 101.1–101.4 sind über Batterieanschlüsse 110.1a, b bis 110.4a, b mit jeweiligen zugehörigen Stromausgleichern verbunden. Während die oberste Schaltung, deren Batterieelement direkt an den Pluspol des Gruppenanschlusses U+ angrenzt, einen an den Pluspol grenzenden Shunt-Widerstand aufweist, und dessen Diode direkt an die Masse des Gruppenanschlusses angeschlossen ist, um überschüssige Ladung auf alle Elemente zu verteilen, weisen die weiteren Stromausgleicher 101.2–101.4 die in 1 dargestellte Schaltungsart auf, um der Batterie über die Induktivität und die Diode einen Ladestrom zu liefern, der in der nächst höheren Potentialstufe angeschlossen ist. Es ist zu bemerken, dass in den Stromausgleichern der Batterien 101.2–101.4 die Diode die jeweils darunterliegende Stromausgleicher-Schaltung mit dem Pluspol der Batterie verbindet, die an die darüberliegende Potentialstufe angeschlossen ist. Folglich weist die Schaltung des untersten Batterieelements 101.4, das direkt an die Masse des Gruppenanschlusses angeschlossen ist, keine Anzapfung auf, in die Strom von einem hinsichtlich des Potentials darunterliegenden Stromausgleicher bei Überladung bzw. bei Unterladung des Batterieelements 101.4 injiziert wird. Die Batteriegruppe der 2 umfasst ferner eine Stromversorgungs- und Steuerschaltung 120, die an den Gruppenanschluss der Batteriegruppe angeschlossen ist und für jeden Stromausgleicher einen Ausgang aufweist, mit dem der Komparator des jeweiligen Stromausgleichers mit der zugehörigen Spannung versorgt wird. Die Masse des jeweiligen Komparators bildet der Minuspol der zugehörigen Batterie. Ferner kann mit dieser Stromversorgung des Komparators oder mit einer weiteren Stromversorgung die Referenzspannungsquelle mit Strom versorgt werden, falls diese eine aktive Stromversorgung erfordert.The 2 shows a battery group of N batteries, four of which are shown again. Each battery element is connected to an associated power equalizer according to the invention. The current equalizers, with the exception of the outermost circuits, are identical and connected together in a repetitive manner. The battery elements 101.1 - 101.4 are via battery connections 110.1a , b to 110.4a , b connected to respective associated current equalizers. While the uppermost circuit, whose battery element directly adjoins the positive terminal of the group terminal U +, has a shunt resistor adjacent to the positive terminal, and whose diode is connected directly to the ground of the group terminal in order to distribute excess charge to all elements, the others power stabilizer 101.2 - 101.4 in the 1 shown circuit type to supply the battery via the inductance and the diode, a charging current, which is connected in the next higher potential level. It should be noted that in the current equalizers of the batteries 101.2 - 101.4 the diode connects the respective underlying current balancing circuit with the positive pole of the battery, which is connected to the overlying potential level. Consequently, the circuit of the lowermost battery element 101.4 , which is directly connected to the ground of the group terminal, no tapping, in the current of a lower potential equalization under current overcharging or undercharging of the battery element 101.4 is injected. The battery group of 2 further includes a power supply and control circuit 120 , which is connected to the group connection of the battery group and has an output for each current equalizer, with which the comparator of the respective current equalizer is supplied with the associated voltage. The mass of the respective comparator forms the negative pole of the associated battery. Further, with this power supply of the comparator or with another power supply, the reference voltage source can be supplied with power, if this requires an active power supply.

Die Versorgungs- und Steuerspannung umfasst ferner eine Weckschaltung mit einem Weckeingang, mit dem sich die Versorgungsspannungen der jeweiligen Komparatoren bzw. der jeweilige Stromausgleicher aktivieren lässt. Ferner umfasst die Versorgungs- und Steuerschaltung 120 eine Diagnoseeinheit, die den Status der einzelnen Stromausgleicher ermittelt, beispielsweise durch Messen des Stroms des jeweiligen Versorgungsausgangs oder durch jeweilige Rückleitungen. Die Diagnoseeinheit sieht entsprechende Informationen über den Status der Stromausgleicher mittels eines Signals über den Diagnoseausgang der Versorgungs- und Steuerschaltung 120 vor. Der negative Anschluss des Gruppenanschlusses ist nicht notwendigerweise auf Masse gelegt, sondern kann auch als negative Spannung um Minus vorgesehen sein, um eine symmetrische Energieversorgung mittels des Gruppenanschlusses vorzusehen.The supply and control voltage further comprises a wake-up circuit with a wake-up input, with which the supply voltages of the respective comparators or the respective current equalizer can be activated. Furthermore, the supply and control circuit includes 120 a diagnostic unit which determines the status of the individual current balancers, for example by measuring the current of the respective supply output or by respective return circuits. The diagnostic unit sees corresponding information about the status of the current equalizers by means of a signal via the diagnostic output of the supply and control circuit 120 in front. The negative terminal of the group terminal is not necessarily grounded, but may be provided as negative voltage by minus, to provide a balanced power supply by means of the group terminal.

3 zeigt ein Schaltschema einer alternativen Ausführung, die komplementär zur Ausführung der 1 und 2 ist. In 3 sind drei Batterien 201a–c seriell miteinander verbunden. Zwischen zwei benachbarten, seriell verbundenen Batterieelementen ist ein Stromausgleicher angeschlossen, der aus dem Pufferspeicher 202a, 202b, 202c und dem Stromlenkungselement 220a, b, c besteht. Der als Kapazität ausgeführte Pufferspeicher wird, wenn das Stromlenkungselement 220a auf der Schalterstellung 2 ist, mittels der Spannung aufgeladen, die an der zugehörigen Batterie 201a anliegt. Dies gilt entsprechend für die Stromlenkungselemente 220b und c sowie für die Batterien 201b und c, wenn die entsprechende Schalterstellung vorliegt. Diese Schalterstellung wird gewählt, wenn der Ist-Batterieladezustand zu hoch ist, d. h. wenn die zugehörige Batterie 201a–c eine zu hohe Spannung aufweist. Nach einer gewissen Zeitdauer, oder, wenn die Kapazität ausreichend geladen ist, wird das Stromlenkungselement 220a in die Schalterstellung 1 gebracht, um die Überspannung an das darauffolgende Element 201b zu übertragen. Ein überhöhter Ist-Batterieladezustand wird beispielsweise durch Messen der Spannung, die an der Kapazität 202a, b, c anliegt, ermittelt. Zum Ausgleichen von unterschiedlichen Ladezuständen zwischen den Batterien 201a–201c können die als Umschalter ausgeführten Stromlenkungselemente 220a, b, c wiederholt umgeschaltet werden, um so die Spannung unter den Batterien zu vereinheitlichen. Die Umschalter 220a, b, c sind nur schematisch dargestellt und können ähnlich wie die Schaltungen der 1 und 2 vorgesehen sein, d. h. mittels eines Vergleichers, beispielsweise eines Operationsverstärkers, der an eine Referenzspannungsquelle angeschlossen ist, und der gemäß dem Auswertungsergebnis eine MOSFET-Transistoreinheit ansteuert, die die Schalterstellung 1 bzw. 2 realisiert. 3 shows a circuit diagram of an alternative embodiment, which is complementary to the execution of 1 and 2 is. In 3 are three batteries 201 -C connected in series. Between two adjacent, serially connected battery elements, a current equalizer is connected, which from the buffer memory 202a . 202b . 202c and the current steering element 220a , b, c exists. The buffered memory becomes when the current steering element 220a on the switch position 2 is charged by means of the voltage applied to the associated battery 201 is applied. This applies correspondingly for the current steering elements 220b and c as well as for the batteries 201b and c, if the corresponding switch position is present. This switch position is selected if the actual battery state of charge is too high, ie if the associated battery 201 -C has too high a voltage. After a certain period of time, or when the capacity is sufficiently charged, the current steering element becomes 220a in the switch position 1 brought to the overvoltage to the subsequent element 201b transferred to. An excessive actual battery state of charge is, for example, by measuring the voltage connected to the capacitor 202a , b, c. To balance different states of charge between the batteries 201 - 201c can be designed as a switch Stromlenkungselemente 220a , b, c are repeatedly switched so as to unify the voltage among the batteries. The switches 220a , b, c are shown only schematically and can be similar to the circuits of the 1 and 2 be provided, ie by means of a comparator, for example, an operational amplifier, which is connected to a reference voltage source, and which drives according to the evaluation result, a MOSFET transistor unit which controls the switch position 1 respectively. 2 realized.

Die der obersten Potentialebene zugeordnete Batterie weist einen Minuspol (–) auf, der mit dem Stromlenkungselement verbunden ist, das ebenfalls der obersten Potentialebene zugeordnet ist. In der Schaltstellung 1 des Stromlenkungselements, das der obersten Potentialebene zugeordnet ist, ist der Kondensator parallel mit der Batterie der obersten Potentialebene verbunden. Das Stromlenkungselement der obersten Potentialebene ist entsprechend mit dem Pluspol des Gesamt-Reihenschaltung der Batterien verbunden.The battery assigned to the uppermost potential level has a negative pole (-), which is connected to the current-steering element, which is likewise assigned to the uppermost potential level. In the switch position 1 of the current-steering element, which is assigned to the uppermost potential level, the capacitor is connected in parallel with the battery of the highest potential level. The current steering element of the highest potential level is correspondingly connected to the positive pole of the total series connection of the batteries.

An den Stellen A und A' können Reihenwiderstände eingefügt sein, die den Stromfluss von dem jeweiligen Kondensator 202a bzw. 202b zur jeweils folgenden Batterie 201b, c hin begrenzt, wenn die Stromlenkungselemente in der Schalterstellung 1 sind. In gleicher Weise können derartige Begrenzungswiderstände direkt zwischen Kondensator bzw. Akkumulator und Schaltelement 202a, b, c in Reihe geschaltet sein. Ferner können Begrenzungswiderstände in den jeweiligen Verbindungen zwischen vorgehender Batterie und Kondensator als Reihenwiderstand eingefügt sein. In einer Ausführungsform sind diese Schaltungsvarianten miteinander kombiniert. Ferner kann bei der Auslegung dieser Reihen-Begrenzungswiderstände der Innenwiderstand der Kapazität, des Akkumulators und/oder der Batterie berücksichtigt werden.At the points A and A 'series resistors may be inserted, which the current flow from the respective capacitor 202a respectively. 202b to the following battery 201b , c out limited when the current steering elements in the switch position 1 are. In the same way, such limiting resistors can be connected directly between capacitor or accumulator and switching element 202a , b, c are connected in series. Furthermore, limiting resistors may be inserted in the respective connections between the preceding battery and capacitor as a series resistor. In one embodiment, these circuit variants are combined with each other. Furthermore, in the design of these series limiting resistors, the internal resistance of the capacitor, the accumulator and / or the battery can be taken into account.

Die Stromlenkungselemente arbeiten als Umschalter, die paarig angeordnete Umschaltvorrichtungen umfassen, die können in einer bestimmten Ausführungsform gemeinsam betätigt werden und hinsichtlich ihrer Schaltstellung synchronisiert sind. Jedes Paar Umschaltvorrichtungen verbindet einen zugehörigen Kondensator parallel mit einer ersten Batterie oder Batteriegruppe in einer ersten Schaltstellung (bsp. 1) und verbindet den zugehörigen Kondensator parallel mit einer zweiten Batterie oder Batteriegruppe in einer zweiten Schaltstellung (bsp. 2). Da die Batterien bzw. Batteriegruppen vorzugsweise verschiedenen Potentialebenen zugehören, überträgt der Kondensator die Energie über die Potentialebenen hinweg. Vorzugsweise sind die Stromlenkungselemente gruppenweise oder vollständig miteinander synchronisiert und weisen immer die gleiche Schaltstellung auf. Die Stromlenkungselemente oder Umschaltvorrichtungen können als Leistungshalbleiter, beispielsweise in Kombination mit Dioden, vorgesehen sein, und/oder können als Relais vorgesehen sein. Vorzugsweise wird die Schaltstellung jedes einzelnen Stromlenkungselements durch einen Vergleicher oder eine andere Vergleich- und Steuerschaltung angesteuert, die einen Spannungsunterschied zwischen den zugehörigen beiden Batterien erfasst und im Falle eines Mindestunterschieds der Ladung und/oder der Spannung zwischen Batterien oder Batteriegruppen hin- und her schaltet, so dass das zugehörige Pufferelement wechselweise den beiden Batterien oder Batteriegruppen verbunden ist. Dadurch wird Energie über Potentialgrenzen hinweg ausgetauscht, um den Unterschied zu verringern.The current steering elements operate as a switch, the paired Vorschaltvor include directions that can be operated together in a particular embodiment and synchronized in terms of their switching position. Each pair of switching devices connects an associated capacitor in parallel with a first battery or battery group in a first switching position (ex. 1 ) and connects the associated capacitor in parallel with a second battery or battery group in a second switching position (ex. 2 ). Since the batteries or battery groups preferably belong to different potential levels, the capacitor transfers the energy across the potential levels. Preferably, the current steering elements are synchronized in groups or completely with each other and always have the same switching position. The current-steering elements or switching devices can be provided as power semiconductors, for example in combination with diodes, and / or can be provided as relays. Preferably, the switching position of each individual current steering element is controlled by a comparator or other comparison and control circuit, which detects a voltage difference between the associated two batteries and switches back and forth in the event of a minimum difference in charge and / or voltage between batteries or battery groups, so that the associated buffer element is alternately connected to the two batteries or battery groups. As a result, energy is exchanged across potential boundaries to reduce the difference.

Die Kapazität kann ein unipolarer oder bipolarer Kondensator sein, beispielsweise ein Elektrolytkondensator oder ein Gold-Cap. Ferner kann als Pufferspeicher auch ein Akkumulator verwendet werden, der an die Stelle der Kapazität tritt, beispielsweise ein Akkumulator mit einer Kapazität, die deutlich kleiner als die Kapazität der Batterien ist, beispielsweise eine Kapazität von weniger als 10% der Batteriekapazität. Der Kondensator kann mit einem Aufwärts-Spannungswandler verbunden sein, der eingerichtet ist, die Spannung des Kondensators oder des Akkumulators auf eine Spannung zu transformieren, die einen höheren und/oder steuerbaren Stromfluss vom Kondensator oder Akkumulator zur aufzuladenden Batterie hin vorsieht.The Capacitance can be a unipolar or bipolar capacitor be, for example, an electrolytic capacitor or a gold cap. Further, as a buffer memory and an accumulator can be used, the takes the place of capacity, such as an accumulator with a capacity that is significantly smaller than the capacity the batteries is, for example, a capacity of less than 10% of the battery capacity. The capacitor can with be connected to an up-voltage converter, the set up is the voltage of the capacitor or the accumulator on one To transform the tension, the higher and / or controllable current flow from the capacitor or accumulator to be charged Battery provides.

Ein Pufferelement kann einer Energie übertragenden Verbindung zwischen zwei benachbarten Batterien zugeordnet sein, die von den jeweiligen Schaltelementen gesteuert wird. In gleicher Weise kann ein Pufferelement mehr als zwei Batterien zugeordnet sein, beispielsweise kann nur ein Pufferelement einer Vielzahl von Batterien zugeordnet sein, wobei ein sich aus den Figuren direkt ergebendes Schaltnetzwerk die jeweilige Verbindung herstellt, um entweder das Pufferelement an einer Batterie zu laden, oder das Pufferelement an einer Batterie zu entladen. Ein Pufferelement kann auf diese Weise mehr als zwei Batterien zugeordnet sein, wobei vorzugsweise das Pufferelement immer Energie aus genau einer Batterie entnimmt und an genau eine Batterie abgibt.One Buffering element may be an energy transferring compound be assigned between two adjacent batteries, by the respective switching elements is controlled. In the same way can a buffer element may be associated with more than two batteries, for example Only one buffer element can be associated with a plurality of batteries be, with a directly resulting from the figures switching network makes the respective connection to either the buffer element to charge on a battery, or the buffer element on a battery to unload. A buffer element can be more than two in this way Batteries are assigned, wherein preferably the buffer element always takes energy from exactly one battery and to exactly one Battery gives off.

Der erfindungsgemäße Stromausgleicher, der vorzugsweise auch als Ladungsausgleicher arbeitet, kann im Allgemeinen während des Ladens von Batterien verwendet werden, oder auch außerhalb von Ladevorgängen, wenn unterschiedliche Lastzustände auftreten, beispielsweise nach signifikanten Entladevorgängen. Sollen, beispielsweise nach signifikanten Entladevorgängen die Batterien auf einen identischen, durchschnittlichen Batterieladezustand gebracht werden, der nicht bei einem Ladezustand von 100% liegt, so wird die Referenzspannung vorzugsweise diesem zu ermittelnden Durchschnittswert angepasst.Of the Inventive current equalizer, preferably also works as a charge balancer, generally during used for charging batteries, or even outside of Charges when different load conditions occur, for example, after significant discharging. Should, for example, after significant discharging the batteries are brought to an identical, average battery level which is not at a state of charge of 100%, so will the reference voltage is preferably adapted to this average value to be determined.

Ferner kann der erfindungsgemäße Stromausgleicher und das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, wenn ein Ladevorgang abgeschlossen ist, während dessen jedoch keine vollständige Homogenisierung der Ladezustände der Batterien erreicht wurde.Further can the current equalizer and the method according to the invention can be used when a charge is completed during which however, no complete homogenization of the states of charge the batteries have been reached.

Ferner kann die Schaltung mit Ausnahme der Induktivitäten in einen ASIC integriert werden.Further can the circuit with the exception of the inductors in one ASIC to be integrated.

Ferner wird vorzugsweise die Sättigungsspannung des Transistors gemessen, anstatt den Strom an Hand eines Shunt-Widerstands zu messen. Die Sättigungsspannung des Transistors, der als Schaltelement dient, ist proportional zum Strom durch den Transistor, der gemessen werden soll, und steigt mit der Temperatur an. Hierdurch wird eine inhärente Übertemperatursicherung des Transistors bzw. des ASICs erreicht, da der Transistor vorteilhafterweise im ASIC integriert ist und somit alle Bauteile des ASICs die gleiche Temperatur aufweisen. Anstatt der Messung des Ist-Batterieladezustands kann auch eine reine Zeitsteuerung herangezogen werden, um die Zeitdauer zu bestimmen, in der der erste Strompfad aktiv ist, und nach der der zweite Strompfad aktiv wird. Auf Grund der bekannten Werte der Induktivität und der Ladeendspannung kann der Strom durch die Spule berechnet werden gemäß der Formel

wobei U die Spannung der Batterie ist, L der Induktivitätswert der Spule und t die verstrichene Zeit. Anstatt daher zu warten, bis ein gemessener Strom einen bestimmten Wert erreicht hat, der einem bestimmten Pufferladezustand entspricht, kann das Stromlenkungselement auch mittels eines Timers angesteuert werden. Ein Timer lässt sich mittels eines RC-Glieds, eines LR-Glieds, eines integrierten Zählers mit Frequenzgeber oder mit ähnlichen bekannten Einrichtungen umsetzen. Durch die Wahl der Zeit des Timers ist somit die Höhe des Stroms durch den Transistor im Abschaltmoment bestimmt. Daher kann der erfindungsgemäße Stromausgleicher, falls dieser mit einem Timer ausgestattet ist, auch ohne Shunt-Widerstand bzw. ohne Messung der Sättigungsspannung zur Ermittlung des Pufferladezustands vorgesehen werden. Ferner kann die Sättigungsspannung des als Stromlenkungselement vorgesehenen Transistors zur Erfassung der Temperatur des Transistors gemessen werden.Further, it is preferable to measure the saturation voltage of the transistor instead of measuring the current by means of a shunt resistor. The saturation voltage of the transistor serving as the switching element is proportional to the current through the transistor to be measured and increases with the temperature. As a result, an inherent over-temperature protection of the transistor or of the ASIC is achieved, since the transistor is advantageously integrated in the ASIC and thus all components of the ASIC have the same temperature. Instead of measuring the actual battery state of charge, it is also possible to use a pure time control in order to determine the time duration in which the first current path is active and after which the second current path becomes active. Based on the known values of the inductance and the end of charge voltage, the current through the coil can be calculated according to the formula

where U is the voltage of the battery, L the inductance value of the coil and t the elapsed time. Thus, instead of waiting for a measured current to reach a certain value corresponding to a particular buffer charge state, the current steering element may also be driven by a timer. A timer can be controlled by means of an RC element, an LR element, an integrated counter with frequency generator or similar implement facilities. By choosing the time of the timer thus the amount of current through the transistor is determined in Abschaltmoment. Therefore, the current equalizer according to the invention, if equipped with a timer, can also be provided without shunt resistance or without measurement of the saturation voltage for determining the buffer charge state. Further, the saturation voltage of the transistor provided as a current steering element for detecting the temperature of the transistor can be measured.

Im Allgemeinen wird während der Aufladezeit der Induktivität, d. h. während der erste Strompfad aktiv ist, dem Batterieelement die Energie ½L·I² entnommen und vorübergehend in Induktivität gespeichert. Nach dem Abschalten des Transistors 6 wird die Energie der Induktivität über die Diode auf ein darauffolgendes Batterieelement übertragen. In gleicher Weise lässt sich die Schaltung durch Spiegelung auch derart modifizieren, dass die Energie auf ein Batterieelement übertragen wird, das hinsichtlich des Potentials tiefer liegt.In general, during the charging time of the inductance, ie, while the first current path is active, the energy ½L · I ^{2 is} taken from the battery element and temporarily stored in inductance. After switching off the transistor 6 the energy of the inductance is transmitted via the diode to a subsequent battery element. In the same way, the circuit can also be modified by mirroring in such a way that the energy is transferred to a battery element which is lower in terms of the potential.

Vorzugsweise werden die Batterien und die erfindungsgemäßen Stromausgleicher derart miteinander verbunden, dass die einem voll geladenen Element entnommene Energie auf mehrere, nicht vollständig geladene Batterieelemente verteilt wird. Dadurch wird eine schnellere Symmetrierung der Batterieelemente bei geringerem Verlust erreicht. Hierzu wird beispielsweise die Energie, die einem Element entnommen wurde, auf alle im Potential höher liegenden Batterien verteilt, wenn deren Anzahl höher ist, als die Anzahl der hinsichtlich des Potentials tiefer liegenden Elemente, d. h. der Batterien der darunterliegenden Potentialstufen. In gleicher Weise wird vorzugsweise die entnommene Symmetrierungsenergie auf die im Potential tiefer liegenden Batterien verteilt, wenn deren Anzahl höher als die Anzahl der darüberliegenden Batterien ist. Ferner kann die Temperatur der Batterieelemente berücksichtigt werden, so dass Batterien mit hohen Temperaturen geringfügiger belastet werden, d. h. bei hohem Batterieladezustand weniger entladen werden, und bei geringerem Ladezustand weniger geladen werden.Preferably become the batteries and the invention Power equalizer connected together so that the one full charged element taken energy to several, not complete charged battery elements is distributed. This will make a faster Symmetrization of the battery elements achieved with less loss. For this purpose, for example, the energy that is taken from an element was, on all in potential higher lying batteries distributed, if their number is higher than the number of regarding the potential of lower lying elements, i. H. of the Batteries of the underlying potential levels. In the same way is preferably the extracted balancing energy on in the Potential deeper batteries distributed when their number higher than the number of overlying batteries is. Furthermore, the temperature of the battery elements can be taken into account so that high temperature batteries are minor be charged, d. H. less discharged when the battery is high be charged, and less charged at a lower charge state.

Vorzugsweise werden die Schaltelemente von einer Steuereinrichtung derart angesteuert, dass sie wiederholt den Schaltzustand wechseln. Durch eine Vielzahl von Schaltvorgängen kann somit auch mit einem Pufferelement, das nur eine geringe Energiemenge speichern kann, eine hohe Energiemenge von einer Batterie zu einer oder zu mehreren weiteren Batterien übertragen werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung einen oder eine Vielzahl von Taktgeneratoren umfassen, deren Frequenz und/oder Tastverhältnis eingestellt werden kann. Eine Taktgenerator kann genau ein Schaltelement, eine Gruppe von Schaltelementen oder alle Schaltelemente ansteuern.Preferably the switching elements are controlled by a control device such that they repeatedly change the switching state. Through a variety of switching operations can thus also with a buffer element, which can store only a small amount of energy, a high amount of energy a battery to one or more other batteries become. In particular, the control device one or a Variety of clock generators include their frequency and / or duty cycle can be adjusted. A clock generator can be exactly one switching element, one Control group of switching elements or all switching elements.

Ferner kann, falls eine Versorgungssteuerschaltung vorgesehen ist, diese die Stromausgleicherschaltungen nur aktivieren, wenn die Batterien geladen werden und gegebenenfalls für eine vorbestimmte Nachlaufzeit, die beispielsweise durch eine vorbestimmte Zeitdauer oder durch einen vorgegebenen Symmetrierungswert vorgegeben ist. Der Symmetrierungswert entspricht beispielsweise der Streuung der Ladezustände der Batterien.Further can, if a supply control circuit is provided, this only enable the current balancing circuits when the batteries are charging and, where appropriate, for a predetermined follow-up time, for example, by a predetermined period of time or by a predetermined Symmetrierungswert is given. The symmetrization value corresponds, for example, to the scattering of the states of charge the batteries.

Neben Li-Ionen-Batterien können auch andere wiederaufladbare Batterien verwendet werden, beispielsweise Ni-Metallhydrid-Akkumulatoren, Ni-Cd-Akkumulatoren, Bleiakkumulatoren und Ähnliches.Next Li-ion batteries can also be other rechargeable Batteries are used, for example Ni metal hydride rechargeable batteries, Ni-Cd rechargeable batteries, Lead-acid batteries and the like.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- JP 11178224 A [0003]
US 2006/0238165 A1 [0003]

Claims

Current equalizer for balancing charging currents in a battery group ( 101 ), wherein the current equalizer comprises: a comparator ( 4 ), a current steering element ( 6 . 3 ), with comparator ( 4 ) and controlled by this, a buffer memory ( 2 ) for electrical energy, a first current path and a second current path, the first current path the buffer memory ( 2 ) via the current steering element ( 6 . 3 ) with a first battery connection ( 110.4 ) and the second current path connects the buffer memory ( 2 ) via the current steering element ( 2 ) with a second battery connection ( 110.3 ), and a battery charge level sensor, which the comparator ( 4 ) is supplied with an actual battery state of charge at the first battery terminal ( 110.4 ), the comparator ( 4 ) is adapted to compare the actual battery state of charge with a desired battery state of charge, and, if the actual battery state of charge is above the desired battery state of charge, the current steering element ( 6 . 3 ) in such a way that the current-steering element ( 6 . 3 ) the buffer memory ( 2 ) with the first battery connection ( 110.4 ) and then the buffer memory ( 2 ) with the second battery connection ( 110.3 ) connects.

A current balancer according to claim 1, further comprising a buffer charge level sensor comprising the comparator ( 4 ) is supplied with an actual buffer charge state stored in the buffer memory ( 2 ), the comparator ( 4 ) is further configured to compare the actual buffer charge state with a desired buffer charge state, and, if the actual buffer charge state is above the target buffer charge state or has reached it, the current steering element ( 6 . 3 ) of the comparator ( 4 ) is controlled such that the current steering element ( 6 . 3 ) the buffer memory ( 2 ) with the second battery connection ( 110.3 ) connects.

A current balancer according to claim 1, wherein the current equalizer is used as a charging current compensator for the battery series circuit ( 101.1 - 101.4 ), the buffer memory has an inductance ( 2 ), the first battery terminal is serially connected to the second battery terminal, the battery charge level sensor detects a tap of a battery voltage at the first battery terminal (10). 10a . 10b ), the actual battery state of charge corresponds to the battery voltage, the nominal battery state of charge corresponds to a nominal battery voltage, the charge current compensator to a current sensor designed as a buffer charge level sensor ( 7 ) containing the comparator ( 4 ) is supplied with an actual buffer charge state executed as an actual induction current value, and the comparator ( 4 ) is set up to compare the actual induction current value with a nominal buffer charge state executed as nominal inductance current, or wherein the current equalizer is used as charging current compensator for the battery parallel connection ( 101.1 - 101.4 ), the buffer memory comprises a capacitance, the first battery terminal is coupled in parallel with the second battery terminal, the battery charge level sensor comprises a tap of a battery voltage at the first battery terminal corresponding to the actual battery state of charge of the battery voltage, the target battery state of charge of a nominal battery voltage 2, the charge equalizer comprises a buffer charge level sensor provided as a tap of a buffer voltage applied to the capacitance, which supplies the comparator with an actual buffer charge state embodied as actual capacitance voltage and the comparator is arranged, the actual capacity voltage having a rated capacity voltage To compare desired buffer charge state.

A current balancer according to claim 1, wherein the first current path comprises a current measuring element, which is made integral with the current steering element, a shunt resistor ( 7 ), which is connected in series therewith, or which is a saturation tap of the current steering element, which is designed as a transistor whose saturation voltage is provided at the saturation tap, and / or the second current path is a diode ( 3 ), whose flow direction starting from the buffer memory ( 2 ) leads to the second battery connection.

A current balancer according to claim 1, wherein the comparator ( 4 ) comprises a first comparator, which determines the actual battery state of charge with the reference voltage source which is executed internally or externally to the comparator ( 5 ) and, as a result, outputs a binary signal, and a second comparator ( 6 . 7 ), which the current steering element ( 6 ), which is designed as a transistor which is connected to the buffer memory in the emitter circuit, thus providing the current steering element, the second comparator.

Battery group with multiple chargeable with each other connected batteries, the battery group for at least one of the batteries has an associated current balancer after one of the preceding claims, wherein the first battery terminal is connected to the at least one battery, the second battery terminal connected to another of the multiple batteries, the more Batteries are connected in series or in parallel, and the battery group has at least one group connection, the connected to the multiple rechargeable batteries.

Method for equalizing charging currents between a first rechargeable battery ( 101.4 ) a battery group and at least one second rechargeable battery ( 101.3 ) of the battery pack, comprising the steps of: directing a charge current to the first battery; Detecting the actual battery state of charge of the first battery; Comparing the actual battery state of charge with a predetermined desired battery state of charge; Passing at least a portion of the charging current to a buffer memory ( 2 ) when the actual battery state of charge is above the desired battery state of charge; and, after at least a portion of the charging current to the buffer memory ( 2 ) for a period of time, conducting electricity from the buffer memory ( 2 ) to the second battery.

The method of claim 7, further comprising: detecting the actual buffer loading condition of the buffer memory ( 2 ) and comparing the actual buffer charge state with a predetermined target buffer charge state, wherein the time duration is provided such that the step of conducting current from the buffer memory ( 2 ) to the second battery ( 101.3 ) is executed when the actual buffer charge state exceeds the target buffer charge state.

The method of claim 7, wherein passing at least a portion of the charging current to the buffer memory ( 2 ) comprises: establishing an electric or magnetic field by means of the to the buffer memory ( 2 ) conducted current and the conduction of electricity from the buffer memory ( 2 ) comprises: removing the electrical or magnetic field to generate current that is applied to the second battery ( 101.3 ).

The method of claim 7, wherein detecting the actual battery state of charge of the first battery ( 101.4 ): measuring the on the first battery ( 101.4 ) voltage, measuring the voltage to the first battery ( 101.4 ), or detecting the flow direction of the to the first battery ( 101.4 ) flowing charging current.