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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum
Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung,
die eine Anzahl in Reihe geschalteter Akkumulatoren aufweist.
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Akkumulatoren
(Akkus) sind wiederaufladbare Ladungsspeicher, die in geladenem
Zustand elektrische Leistung für
eine Last zur Verfügung
stellen können.
Die Spannung, bei welcher diese Leistung zur Verfügung gestellt
wird, ist von der Art des Akkumulators abhängig. Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren
liegt diese Spannung im Bereich von 3,3 V. Zur Versorgung von Lasten,
die höhere
Versorgungsspannungen benötigen,
ist es bekannt, mehrere Akkumulatoren zu einer Akkumulatoranordnung
in Reihe zu schalten. Die von einer solchen Akkumulatoranordnung
bereitgestellte Versorgungsspannung entspricht dabei der Summe der
einzelnen Versorgungsspannungen der in Reihe geschalteten Akkumulatoren.
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Zum
Laden einer solchen Akkumulatoranordnung ist es bekannt, der Akkumulatoranordnung einen
Ladestrom über
Anschlussklemmen zuzuführen,
die Spannungen über
den einzelnen Akkumulatoren der Reihenschaltung während des
Ladevorgangs zu überwachen
und den Ladevorgang zu beenden, wenn die Spannung über einem
der Akkumulatoren einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten
hat. Das Überschreiten
dieses Schwellenwertes ist ein Anzeichen dafür, dass der jeweilige Akkumulatorvollständig geladen
ist und nicht mehr weiter geladen werden sollte.
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Um
die nutzbare Kapazität
der Akkumulatoranordnung zu optimieren, ist es bekannt, die Ladezustände der
einzelnen Akkumulatoren am Ende des Ladevorgangs aneinander anzugleichen.
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Hierzu
kann ein Sperrwandler vorgesehen sein, der eine an die Anschlussklemmen
der Akkumulatoranordnung angeschlossene Primärwicklung und mehrere, jeweils
an die Akkumulatoren angeschlossene Sekundärwicklungen aufweist. Zum Angleichen
der Ladezustände
wird der Akkumulatoranordnung, d. h. der Reihenschaltung der einzelnen
Akkumulatoren, in einer ersten Betriebsphase des Schaltwandlers
Energie entnommen und in der Primärwicklung gespeichert. In einer
zweiten Betriebsphase wird die in der Primärwicklung gespeicherte Energie
auf alle Sekundärwicklungen übertragen
und über
diese Sekundärwicklungen
in die einzelnen Akkumulatoren eingespeist. Der größte Strom
fließt
dabei auf den Akkumulator, über
dem momentan die niedrigste Spannung anliegt, der also den niedrigsten Ladezustand
besitzt. Bedingt durch einen unvermeidlichen Innenwiderstand der
einzelnen Akkumulatoren steigt die Spannung über den Akkumulatoren bei einem
auf die Akkumulatoren fließenden
Ladestrom an. Dieser Spannungsanstieg ist für einen Akkumulator umso größer, umso
höher der
Ladestrom dieses Akkumulators ist, was dem Ladestrom entgegenwirkt.
Akkumulatoren mit einem niedrigen Ladezustand werden dadurch weniger
stark geladen, als es aufgrund ihres Ladezustandes erforderlich
wäre. Darüber hinaus
wird ein Teil der der gesamten Akkumulatoranordnung entnommenen
Energie auch in den oder die Akkumulatoren zurückgespeist, die bereits einen
hohen Ladezustand erreicht haben, bzw. vollständig aufgeladen sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum
Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung
zur Verfügung
zu stellen, die einen effizienten Austausch elektrischer Ladung
zwischen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung ermöglicht,
und ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren
der Akkumulatoranordnung zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und
durch Verfahren nach den Ansprüchen
6 und 8 gelöst.
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Eine
Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren
einer eine Reihenschaltung von Akkumulatoren aufweisenden Akkumulatoranordnung
umfasst eine Anzahl von ersten Reihenschaltungen zum Parallelschalten mit
jeweils einem Akkumulator. Diese ersten Reihenschaltungen weisen
jeweils ein Schaltelement mit einer Laststrecke und einem Ansteueranschluss
und ein in Reihe zu der Laststrecke des Schaltelements geschaltetes
induktives Speicherelement auf. Die Schaltungsanordnung umfasst
außerdem
eine weitere Reihenschaltung zum Parallelschalten mit der Akkumulatoranordnung,
wobei die weitere Reihenschaltung ein weiteres Schaltelement mit
einer Laststrecke und einem Ansteueranschluss und ein in Reihe zu
der Laststrecke des Schaltelements geschaltetes weiteres induktives
Speicherelement aufweist. Das induktive Speicherelement der weiteren
Reihenschaltung ist dabei induktiv mit den induktiven Speicherelementen
der ersten Reihenschaltungen gekoppelt. Die Schaltungsanordnung
umfasst weiterhin eine Ansteuerschaltung mit einer Anzahl von ersten Ansteuerausgängen, von
denen jeweils einer an den Ansteueranschluss eines der Schaltelemente
der ersten Reihenschaltungen gekoppelt ist, und mit einem weiteren
Ansteuerausgang, der an den Ansteueranschluss des Schaltelements
der weiteren Reihenschaltung gekoppelt ist.
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Die
ersten Reihenschaltungen mit jeweils einem Schaltelement und einem
induktiven Speicherelement und die weitere Reihenschaltung mit einem weiteren
Schaltelement und einem weiteren induktiven Speicherelement bilden
bei dieser Schaltungsanordnung eine Anzahl von Schaltwandlern, die
jeweils zwischen die Akkumulatoranordnung, d. h. die Reihenschaltung
der einzelnen Akkumulatoren, und diese einzelnen Akkumulatoren geschaltet
sind und die bidirektional betrieben werden können. Über diese Schaltwandler kann
der gesamten Akkumulatoranordnung Energie entnommen und selektiv
einzelnen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung zugeführt werden.
Des Weiteren kann über diese Schaltwandler
auch einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie entnommen und in die
gesamte Akkumulatoranordnung zurückgespeist
werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Akkumulatoren
einer eine Reihenschaltung von Akkumulatoren aufweisenden Akkumulatoranordnung ist
vorgesehen, Akkumulatorspannungen über wenigstens einigen der
Akkumulatoren zu messen, wenigstens einen Akkumulator abhängig von
der ermittelten Akkumulatorspannung auszuwählen, der Akkumulatoranordnung
elektrische Energie zu entnehmen und wenigstens einen Teil der entnommenen Energie
nur dem wenigstens einen ausgewählten
Akkumulator zuzuführen.
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Bei
einem Verfahren gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, Akkumulatorspannungen über wenigstens einigen der
Akkumulatoren zu messen, einen der Akkumulatoren abhängig von
den ermittelten Akkumulatorspannungen auszuwählen, elektrische Energie dem
ausgewählten
Akkumulator zu entnehmen und wenigstens eines Teils der entnommenen
Energie der Akkumulatoranordnung, d. h. den in Reihe geschalteten
Akkumulatoren, zuzuführen.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren
näher erläutert. Die
Figuren dienen zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Erfindung,
wobei nur die zum Verständnis
des Grundprinzips notwendigen Schaltungskomponenten dargestellt
sind. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche
Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher
Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer
Ladung zwischen Akkumulatoren, die eine Anzahl erster Reihenschaltungen
mit jeweils einem Schaltelement und einem induktiven Speicherelement
und eine weitere Reihenschal tung mit einem weiteren Schaltelement und
einem weiteren induktiven Speicherelement aufweist.
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2 zeigt
schematisch eine Ladekurve eines Akkumulators, in der eine an dem
Akkumulator abgreifbare Spannung abhängig von einer in dem Akkumulator
gespeicherten Ladung dargestellt ist.
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3 veranschaulicht
einen ersten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung anhand zeitlicher Verläufe von
Ansteuersignalen wenigstens eines der ersten Schalter und des weiteren
Schalters.
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4 veranschaulicht
einen zweiten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung anhand zeitlicher
Verläufe
von Ansteuersignalen wenigstens eines der ersten Schalter und des
weiteren Schalters.
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5 zeigt
ein zweites Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer
Ladung zwischen Akkumulatoren.
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6 veranschaulicht
ein erstes Realisierungsbeispiel eines Schaltelements der ersten
Reihenschaltungen.
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7 veranschaulicht
ein zweites Realisierungsbeispiel für ein Schaltelement einer ersten
Reihenschaltung.
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1 zeigt
ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung zum Austausch elektrischer
Ladung zwischen Akkumulatoren einer Akkumulatoranordnung. Zum besseren
Verständnis
ist in 1 außer der
Schaltungsanordnung auch ein solcher Akkumulator 9 dargestellt.
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Dieser
Akkumulator 9 umfasst eine Reihenschaltung mit einer Anzahl
Akkumulatoren 91, 92, 93, 9n.
Die in 1 dargestellte Akkumulatoranordnung 9 weist
vier solcher Akkumulato ren 91, 92, 93, 9n auf. Selbstverständlich können jedoch
eine beliebige Anzahl von Akkumulatoren in der Akkumulatoranordnung 9 in
Reihe geschaltet sein. Jeder der Akkumulatoren 91–9n kann
aus einer Akkumulatorzelle bestehen. Des Weiteren besteht auch die
Möglichkeit, zur
Bildung eines Akkumulators zwei oder mehr Akkumulatorzellen parallel
zu schalten, wie dies in 1 für den Akkumulator 9n gestrichelt
dargestellt ist.
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Die
Akkumulatoranordnung 9 weist zwei Anschlussklemmen 9+, 9– auf,
nämlich
eine erste Anschlussklemme 9+ an einem ersten Ende der
Reihenschaltung und eine zweite Anschlussklemme 9– an
einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten
Ende der Reihenschaltung. Die erste Anschlussklemme bildet in dem
Beispiel einen positiven Anschluss und die zweite Anschlussklemme
bildet einen negativen Anschluss der Akkumulatoranordnung.
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Die
einzelnen Akkumulatoren 91–9n dienen jeweils
zur Speicherung von Energie in Form elektrischer Ladung. Zum Laden
der Akkumulatoranordnung 9 mit elektrischer Energie kann
eine Ladeschaltung 10, beispielsweise über einen Schalter 11,
an die Anschlussklemmen 9+, 9– der Akkumulatoranordnung 9 angeschlossen
werden. Diese Ladeschaltung 10, die in 1 gestrichelt
dargestellt ist, ist nicht Teil der Erfindung und ist nur zum besseren
Verständnis
dargestellt. Der Aufbau und die Funktion derartiger Ladeschaltungen
ist grundsätzlich
bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden
kann.
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Die
Akkumulatoranordnung 9 kann durch Zuführen eines Ladestroms zu der
ersten Anschlussklemme 9+ geladen und durch Abführen eines
Entladestroms von dieser ersten Anschlussklemme 9+ entladen
werden. Eine solche Entladung wird beispielsweise vor einem erneuten
Laden der Akkumulatoranordnung 9 durchgeführt, um
die Lebensdauer der Akkumulatoranordnung 9 zu erhöhen, d.
h. um eine möglichst
große
Anzahl möglicher
Lade- und Entladezyklen zu erreichen, bevor die Akkumulatoranordnung verbraucht
ist, also nicht mehr in der Lage ist, elektrische Energie in dem
gewünschten
Umfang zu speichern.
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Sowohl
beim Laden als auch beim Entladen der Akkumulatoranordnung 9 können ungleiche
Ladezustände
der einzelnen Akkumulatoren 91–9n auftreten. Zur
Erläuterung
sei zunächst
die in 2 schematisch dargestellte Ladekurve eines Akkumulators
betrachtet. Dargestellt ist in 2 die Spannung
V über
dem Akkumulator abhängig
von der in dem Akkumulator gespeicherten Ladung C. Diese in dem
Akkumulator gespeicherte Ladung C bestimmt den Ladezustand des Akkumulators.
Die an dem Akkumulator zur Verfügung
stehende Spannung V ist über
einen weiten Bereich des Ladezustandes annähernd konstant. Für Lithium-Ionen-Akkumulatoren beträgt diese
Spannung, die auch als Nennspannung bezeichnet wird, zwischen 3,3
V und 3,6 V. Dieser Bereich des Ladezustandes, innerhalb dessen
die Spannung annähernd
konstant ist, wird nachfolgend als Arbeitsbereich des Akkumulators
bezeichnet. Wird der Akkumulator über diesen Arbeitsbereich hinaus
aufgeladen, was im rechten Teil der Figur dargestellt ist, so steigt
die Akkumulatorspannung rapide an. Die maximale Speicherkapazität des Akkumulators
ist dabei erreicht, der Akkumulator kann nicht mehr weiter aufgeladen
werden. Wird der Akkumulator bis unter den Arbeitsbereich entladen,
was im linken Teil der 2 dargestellt ist, so sinkt
die Akkumulatorspannung rapide ab.
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Herstellungsbedingt
oder bedingt durch unterschiedlichen Verschleiß während des Betriebs können die
einzelnen Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung unterschiedliche
Kapazitäten
aufweisen, was dazu führt,
dass einzelne Akkumulatoren während
des Ladevorgangs bereits früher
vollständig aufgeladen
sind wie andere. Der Ladevorgang sollte dabei beendet werden, sobald
einer der Akkumulatoren seinen maximalen Ladezustand erreicht hat.
Entsprechend können
während
eines Entladevorgangs einzelne Akkumulatoren früher bis unterhalb ihres Arbeitsbereichs
entladen sein, wie andere Akkumulatoren. Der Entladevorgang sollte
dabei beendet werden, sobald einer der Akkumulatoren bis unterhalb seines
Arbeitsbereichs entladen wurde.
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Im
Sinne einer möglichst
langen Lebensdauer der Akkumulatoranordnung und im Sinne einer möglichst
großen
nutzbaren Kapazität
der Akkumulatoranordnung ist es hierbei wünschenswert, die Ladezustände der
einzelnen Akkumulatoren einander anzugleichen. Dies kann am Ende
eines Ladevorgangs, am Ende eines Entladevorgangs oder auch während des
Betriebs der Akkumulatoranordnung, also dann wenn die Akkumulatoranordnung
zur Spannungsversorgung einer Last genutzt wird, erfolgen.
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung umfasst hierzu
eine der Anzahl der Akkumulatoren entsprechende Anzahl erster Reihenschaltungen
mit jeweils einem Schaltelement 21, 22, 23, 2n und
einem induktiven Speicherelement 11, 12, 13, 1n.
Jede dieser Reihenschaltungen ist während des Betriebs der Schaltungsanordnung
parallel zu einem der Akkumulatoren 91–9n der Akkumulatoranordnung 9 geschaltet.
Die Schaltelemente 21–2n der ersten
Reihenschaltungen weisen jeweils eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss
auf, wobei die Laststrecken in Reihe zu dem zugehörigen induktiven
Speicherelement 11–1n geschaltet
sind und wobei den Ansteueranschlüssen jeweils ein Ansteuersignal
S1, S2, S3, Sn zugeführt
ist. Diese Ansteuersignale S1–Sn
werden in nachfolgend noch erläuterter Weise
von einer Ansteuerschaltung 3 erzeugt.
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Die
Schaltungsanordnung weist außerdem eine
weitere Reihenschaltung mit einem weiteren induktiven Speicherelement 51 und
einem weiteren Schaltelement 52 auf. Diese Reihenschaltung
ist zwischen die Anschlüsse 9+, 9– der
Akkumulatoranordnung 9, und damit parallel zu der Reihenschaltung der
einzelnen Akkumulatoren 91–9n geschaltet. Das weitere
Schaltelement 52 weist eine Laststrecke, die in Reihe zu
dem weiteren induktiven Speicherelement 51 geschaltet ist,
und einen Ansteueranschluss zum Zuführen eines Ansteuersignals
S52 auf. Dieses Ansteuersignal wird während des Betriebs der Schaltungs anordnung
ebenfalls durch die Ansteuerschaltung 3 zur Verfügung gestellt.
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Die
induktiven Speicherelemente 11–1n der ersten Reihenschaltungen
sind induktiv mit dem weiteren induktiven Speicherelement 51 der
weiteren Reihenschaltung gekoppelt. Diese Kopplung kann beispielsweise über einen
Transformatorkern, der in 1 schematisch
als Strich zwischen den induktiven Speicherelementen dargestellt
ist, mit oder ohne Luftspalt oder auch nur über einen Luftspalt erfolgen.
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Die
parallel zu den Akkumulatoren geschalteten ersten Reihenschaltungen
und die parallel zu der Akkumulatoranordnung geschaltete weitere
Reihenschaltung bilden jeweils mehrere bidirektional betreibbare
Sperrwandler, die zwischen die Reihenschaltung der Akkumulatoren 91–9n und
die einzelnen Akkumulatoren geschaltet sind. "Bidirektional betreibbar" heißt in diesem
Zusammenhang, dass Energie von den induktiven Speicherelementen 11–1n der
ersten Reihenschaltungen auf das weitere induktive Speicherelement 51 übertragen
werden kann oder von dem weiteren induktiven Speicherelement 51 auf
die induktiven Speicherelemente 11–1n der ersten Reihenschaltungen übertragen
werden kann. Hierdurch kann einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie
entnommen und an die gesamte Akkumulatoranordnung zurückgespeist
werden kann, oder der Akkumulatoranordnung 9 kann Energie
entnommen und selektiv an einzelne Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung
zurückgespeist
werden. Diese beiden Betriebsmodi werden nachfolgend anhand der 3 und 4,
in denen zeitliche Verläufe
der Ansteuersignale einzelner Schaltelemente dargestellt sind, erläutert.
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In
einem ersten Betriebsmodus wird Bezug nehmend auf 3 das
weitere Schaltelement 52 für eine vorgegebene Einschaltdauer
T52 leitend angesteuert. Den Akkumulatoren 91–9n der
Akkumulatoranordnung 9 wird dadurch Energie entnommen, die
in dem weiteren induktiven Speicherelement 51 gespeichert
wird. Die Zeitdauer, für
welche der weitere Schalter 52 geschlossen wird, bestimmt
hierbei die der Akkumulatoranordnung 9 entnommene Energie. Mit Öffnen des
weiteren Schalters 52 am Ende der Einschaltdauer T52 wird
wenigstens einer der Schalter der ersten Reihenschaltungen für eine Einschaltdauer
T geschlossen. S bezeichnet in 3 das Ansteuersignal
eines oder mehrerer beliebiger Schalter dieser ersten Reihenschaltungen.
Mit öffnen
des weiteren Schalters 52 und Schließen wenigstens eines der ersten
Schalter wird die zuvor in dem weiteren induktiven Speicherelement 51 gespeicherte
elektrische Energie auf das induktive Speicherelement übertragen,
das in Reihe zu dem wenigstens einem geschlossenen Schalter geschaltet
ist, und fließt
in den an dieses induktive Speicherelement angeschlossenen Akkumulator.
Die induktiven Speicherelemente sind beispielsweise als Spulen realisiert.
Der Wicklungssinn dieser Spulen ist hierbei so gewählt, dass
Energie von dem weiteren induktiven Speicherelement 51 auf
die induktiven Speicherelemente der ersten Reihenschaltungen erst
nach Öffnen
des weiteren Schalters 52 übertragen wird. Bei der zuvor
erläuterten
Betriebsweise wirkt das weitere induktive Speicherelement 51 als
Primärwicklung
der durch die induktiven Speicherelemente gebildeten Transformatoren
der Sperrwandler.
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Nach öffnen des
weiteren Schalters 52 sollte bei dem anhand von 3 erläuterten
Betriebsmodus wenigstens einer der Schalter der ersten Reihenschaltungen
geschlossen werden, um Überspannungen
an den induktiven Speicherelementen 11–1n der ersten Reihenschaltungen
zu vermeiden. Optional besteht die Möglichkeit, Gleichrichterelemente,
beispielsweise Dioden, parallel zu den Schaltelementen S1–Sn zu schalten,
wie dies in 1 gestrichelt für das Schaltelement
S3 dargestellt ist. Diese Gleichrichterelemente sind so verschaltet,
dass sie einen Stromfluss von den induktiven Speicherelementen auf
die angeschlossenen Akkumulatoren ermöglichen, einen Stromfluss in
der Gegenrichtung jedoch verhindern, um dadurch ein unbeabsichtigtes
Entladen der Akkumulatoren zu verhindern. Ist nach Öffnen des
weiteren Schalters 52 noch keiner der Schalter der ersten
Reihenschaltungen geschlossen, so ermög lichen diese Gleichrichterelemente
einen Stromfluss auf die Akkumulatoren und verhindern dadurch Überspannungen
an den induktiven Speicherelementen der ersten Reihenschaltungen.
Der Durchlasswiderstand solcher Gleichrichterelemente ist allerdings
höher als
der Durchlasswiderstand eines geschlossenen Schaltelements, so dass
nach Schließen
eines der ersten Schaltelemente ein Großteil der bis dahin noch in
dem weiteren induktiven Speicherelement 52 gespeicherten
Energie auf den Akkumulator übertragen
wird, der an das geschlossene Schaltelement angeschlossen ist.
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Bezug
nehmend auf 4 wird bei einem zweiten Betriebsmodus
der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung eines der
Schaltelemente der ersten Reihenschaltungen für eine vorgegebenen Einschaltdauer
T geschlossen, wodurch dem an das geschlossene Schaltelement angeschlossenen
Akkumulator Energie entnommen wird und in dem an das geschlossene
Schaltelement angeschlossenen induktiven Speicherelement gespeichert
wird. Mit Öffnen
dieses ersten Schalters wird der in Reihe zu dem weiteren induktiven
Speicherelement 51 geschaltete weitere Schalter 52 geschlossen,
wodurch die zuvor gespeicherte Energie auf das weitere induktive
Speicherelement 51 übertragen
wird und von dort über
die Anschlussklemmen 9+, 9– in die gesamte Akkumulatoranordnung 9 fließt. Zur
Vermeidung von Überspannungen über dem
weiteren induktiven Speicherelement 51 kann ein Gleichrichterelement,
beispielsweise eine Diode, parallel zu dem weiteren Schaltelement 52 geschaltet
sein. Dieses Gleichrichterelement ist hierbei so verschaltet, dass es
bei geöffnetem
weiteren Schalter 52 keinen Stromfluss über die Anschlussklemmen 9+, 9– der Akkumulatoranordnung 9 ermöglicht.
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Der
erste Betriebsmodus wird beispielsweise dann angewendet, wenn bei
einem Entladevorgang einer oder mehrere Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung
bereits weiter entladen wurden, als andere Akkumulatoren. In diesem
Fall wird der gesamten Akkumulatoranordnung Energie entnommen, die dann
selektiv auf die bereits weiter entladenen Akkumulatoren verteilt
wird, um dadurch den Ladezustand der einzelnen Akkumulatoren anzugleichen.
Der zweite Betriebsmodus wird beispielsweise nach einem Ladevorgang
angewendet, wenn ein Akkumulator bereits weiter aufgeladen ist,
als die übrigen
Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung. In diesem Fall wird dem
weiter aufgeladenen Akkumulator gezielt Energie entnommen, die dann
auf die gesamte Akkumulatoranordnung verteilt wird.
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Die
Auswahl der Betriebsart und die Auswahl der Akkumulatoren, denen
selektiv Energie zugeführt oder
entnommen werden soll, erfolgt durch die Ansteuerschaltung 3 abhängig von
den über
den Akkumulatoren 91–9n anliegenden
Akkumulatorspannungen V1, V2, V3, Vn. Der Ansteuerschaltung 3 sind hierzu
Messsignale M1, M2, M3, Mn zugeführt,
die jeweils eine dieser Akkumulatorspannungen V1–Vn repräsentieren. Die einzelnen Messsignale
können
beispielsweise durch Differenzverstärker bereitgestellt werden,
die parallel zu den einzelnen Akkumulatoren 91–9n geschaltet
sind, wie dies in 1 für den Akkumulator 91 dargestellt
ist. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet hierbei den parallel
zu diesem Akkumulator 91 geschalteten Differenzverstärker. Diese
Messsignale M1–Mn
können
selbstverständlich
auch auf beliebige andere Weise aus den Akkumulatorspannungen V1–Vn erzeugt
werden.
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Bezug
nehmend auf 2 stellt die über einem
Akkumulator anliegende Spannung ein Maß für den Ladezustand des jeweiligen
Akkumulators dar. Die der Ansteuerschaltung 3 zugeführten Messsignale
M1–Mn
repräsentieren
damit die Ladezustände der
einzelnen Akkumulatoren. Die Ansteuerschaltung 3 ist hierbei
dazu ausgebildet, anhand dieser Messsignale M1–Mn die jeweilige Betriebsart
für den Ladungsaustausch
zwischen den einzelnen Akkumulatoren auszuwählen.
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Mit "Ausgleichszyklus" wird nachfolgend
einer der anhand der 3 und 4 erläuterten
Vorgänge
bezeichnet, bei dem Energie von der gesamten Vorrichtung selektiv
auf einzelne Ak kumulatoren übertragen
wird oder bei dem Energie selektiv von einzelnen Akkumulatoren auf
die gesamte Vorrichtung übertragen
wird. Bezüglich
der Anzahl der durchzuführenden
Ausgleichszyklen, bezüglich
der Betriebsart und bezüglich
der Auswahl einzelner Akkumulatoren, denen selektiv Energie zugeführt oder entnommen
wird, sind verschiedene Strategien denkbar, von denen nachfolgend
beispielhaft einige erläutert
werden.
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Die
Anzahl der durchzuführenden
Ansteuerzyklen kann fest vorgegeben sein. Darüber hinaus besteht auch die
Möglichkeit,
jeweils so viele Ansteuerzyklen durchzuführen, bis die Ladezustände der einzelnen
Akkumulatoren um weniger als ein vorgegebenes Maß voneinander abweichen. So
besteht beispielsweise die Möglichkeit,
Ansteuerzyklen so lange zu wiederholen, bis eine Spannungsdifferenz zwischen
dem Akkumulator mit dem momentan höchsten Ladezustand und dem
Akkumulator mit dem momentan niedrigsten Ladezustand kleiner ist als
ein vorgegebener Grenzwert. Diese Strategie kann sowohl bei Ausgleichszyklen
der ersten Betriebsart als auch bei Ausgleichszyklen der zweiten Betriebsart
angewendet werden.
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Der
erste Betriebsmodus wird beispielsweise dann ausgewählt, wenn
der Ladezustand eines oder mehrerer Akkumulatoren geringer ist als
der Ladezustand der Mehrheit der übrigen Akkumulatoren. Der zweite
Betriebsmodus wird beispielsweise dann ausgewählt, wenn der Ladezustand eines
oder mehrere Akkumulatoren höher
ist als der Ladezustand der Mehrheit der übrigen Akkumulatoren. Darüber hinaus besteht
auch die Möglichkeit,
den Betriebsmodus über
ein der Ansteuerschaltung 3 zugeführtes externes Signal (nicht
dargestellt) vorzugeben. Dieses Signal kann beispielsweise durch
die Ladeschaltung 10 erzeugt werden, um am Ende des Ladevorgangs
beispielsweise den ersten Betriebsmodus einzustellen und dadurch
einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie zu entziehen, oder um am
Ende eines Entladevorgangs den zweiten Betriebsmodus einzustellen und
dadurch einzelnen Akkumulatoren selektiv Energie zuzuführen.
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Ein
solches externes Signal kann auch abhängig von der Richtung eines
zuvor in die oder aus der Akkumulatoranordnung fließenden Stromes
erzeugt werden. Ist zuvor ein Strom in die Akkumulatoranordnung
geflossen, so wird ein Ladevorgang angenommen und beispielsweise
der zweite Betriebsmodus eingestellt. Ist zuvor ein Strom aus der Akkumulatoranordnung
geflossen, so wird ein Entladevorgang angenommen und beispielsweise
der erste Betriebsmodus eingestellt.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Schaltungsanordnung, bei dem die Ansteuerschaltung 3 lediglich
einen Messeingang zur Zuführung
eines Messsignals M aufweist. Bei dieser Schaltungsanordnung ist
der Messeingang der Ansteuerschaltung 3 an das induktive
Speicherelement 11 der parallel zu dem untersten Akkumulator 51 geschalteten ersten
Reihenschaltung angeschlossen. Der "unterste Akkumulator" ist in diesem Zusammenhang der Akkumulator,
der an die zweite bzw. negative Anschlussklemme 9– der
Akkumulatoranordnung 9 angeschlossen ist. Zu Zwecken der
Erläuterung
sei angenommen, dass die negative Anschlussklemme 9– an
ein Bezugspotential GND, beispielsweise Masse, angeschlossen ist,
und dass die Ansteuerschaltung 3 an dasselbe Bezugspotential
GND angeschlossen ist, so dass die in der Ansteuerschaltung 3 vorkommenden
Signale (nicht dargestellt) auf dieses Bezugspotential GND bezogen
sind. Eine der Ansteuerschaltung 3 über den Messeingang zugeführte, auf Bezugspotential
GND bezogene Spannung entspricht dann der Spannung über dem
induktiven Speicherelement 11. Die negative Anschlussklemme 9– und
die Ansteuerschaltung 3 können auch an unterschiedliche
Bezugspotentiale angeschlossen sein. In diesem Fall ist bei der
Verarbeitung des der Ansteuerschaltung 3 zugeführten Messsignals
ein entsprechender Offset, d. h. eine Potentialdifferenz zwischen
den beiden Bezugspotentialen, zu beachten.
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Die
induktive Kopplung der ersten induktiven Speicherelemente 11-1n an
das weitere induktive Speicherelement 53 bedingt auch eine
gegenseitige induktive Kopplung der ersten indukti ven Speicherelemente.
Wird einer der ersten Schalter S1–Sn der ersten Reihenschaltungen
geschlossen, so liegt über dem
induktiven Speicherelement, das an den geschlossenen Schalter angeschlossen
ist, eine Spannung an, die der Spannung V1–Vn über dem der Reihenschaltung
zugeordneten Akkumulator entspricht. Bedingt durch die induktive
Kopplung und den gleichen Wicklungssinn der ersten induktiven Speicherelemente
wird diese über
dem induktiven Speicherelement des jeweils geschlossenen Schalters
anliegende Spannung an die anderen induktiven Speicherelemente,
und damit auch an das induktive Speicherelement 11 des
untersten Akkumulators 91 übertragen. Die in 5 dargestellte
Ansteuerschaltung 3 ist zur Messung der Spannung über einem
der Akkumulatoren dazu ausgebildet, den an den jeweiligen Akkumulator
angeschlossenen Schalter für
eine vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise zwischen 4 μs und 12 μs, zu schließen und
die dabei an dem induktiven Speicherelement 11 des untersten
Akkumulators 91 anliegende Spannung zu erfassen. Optional
ist zwischen dieses induktive Speicherelement 11 und den Messeingang
der Ansteuerschaltung 3 ein Tiefpassfilter 42, 43 geschaltet,
das dazu dient, während
der Schaltvorgänge
auftretende Überschwinger,
die beispielsweise in parasitären
Elementen, z. B. Streuinduktivitäten,
entstehen, auszufiltern.
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Zur
Messung der Akkumulatorspannungen aller Akkumulatoren ist die Ansteuerschaltung 3 dazu ausgebildet,
zeitlich aufeinanderfolgend die ersten Schalter S1–Sn zu schließen und
dabei jeweils die über
dem induktiven Speicherelement 11 anliegende Spannung zu
ermitteln. Die gemessenen Spannungen werden innerhalb der Ansteuerschaltung 3 gespeichert,
beispielsweise in einem Register, und die gespeicherten Messwerte
werden anschließend
ausgewertet, um in oben bereits erläuterter Weise eine der möglichen
Betriebsmodi auszuwählen
und den Akkumulator oder die Akkumulatoren auszuwählen, denen
selektiv Energie zugeführt
oder entnommen werden soll.
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Die
Schaltelemente 21–2n der
ersten Reihenschaltungen können
beispielsweise als MOSFET realisiert werden, wie nachfolgend anhand
der 6 und 7 erläutert wird. In diesen Figuren
steht das Bezugszeichen 2 allgemein für ein beliebiges der ersten
Schaltelemente, das Bezugszeichen 9 steht für einen
beliebigen der Akkumulatoren und das Bezugszeichen 1 steht
für ein
beliebiges der ersten induktiven Speicherelemente. 6 veranschaulicht die
Verwendung eines p-leitenden MOSFET als Schaltelement, während 7 die
Verwendung eines n-leitenden MOSFET veranschaulicht. MOSFET weisen
bekanntlich eine Drain-Source-Strecke, die eine Laststrecke bildet,
und einen Gate-Anschluss, der einen Ansteueranschluss bildet, auf.
Das Leitverhalten der Laststrecke des MOSFET wird dabei bestimmt über ein
am Gate-Anschluss anliegendes Ansteuerpotential. Parallel zur Laststrecke
weisen herkömmliche
MOSFET eine Freilaufdiode D1 auf, die für die in den 6 und 7 dargestellten
MOSFET T explizit dargestellt ist. Diese Freilaufdiode D1 ist bei
einem p-MOSFET in Sperrrichtung zwischen dessen Source-Anschluss
und dessen Drain-Anschluss geschaltet, und bei einem n-MOSFET (7)
in Flussrichtung zwischen dessen Source-Anschluss und Drain-Anschluss
geschaltet. Um eine Entladung des Akkumulators 9 bei sperrend
angesteuertem MOSFET T zu verhindern, ist ein p-leitender MOSFET
Bezug nehmend auf 6 zwischen einen Pluspol des
Akkumulators und das induktive Speicherelement 1 zu schalten
und ein n-MOSFET
Bezug nehmend auf 7 zwischen den Minuspol des
Akkumulators 9 und das induktive Speicherelement 11 zu
schalten, wobei der Source-Anschluss des MOSFET jeweils an den Akkumulator angeschlossen
ist. Der Sourceanschluss ist dadurch immer auf einem Gleichspannungspotential,
was die Ansteuerung erleichtert.
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Zur
Potentialtrennung zwischen der Ansteuerschaltung 3 und
dem Gate-Anschluss des MOSFET T ist eine Kapazität C zwischen die Ansteuerschaltung 9 und
den Gate-Anschluss des MOSFET T geschaltet. Der in 6 dargestellte
selbstsperrende p-MOSFET
leitet, wenn ein elektrisches Potential an seinem Ga te-Anschluss
um den Wert seiner Einsatzspannung unterhalb des elektrischen Potentials
am Source-Anschluss liegt. Davon ausgehend, dass der Gate-Anschluss
und der Source-Anschluss vor einer Ansteuerung des MOSFET annähernd auf
einem gleichen elektrischen Potential liegen, kann dieser p-MOSFET
durch einen negativen Ansteuerimpuls des Ansteuersignals S leitend
angesteuert werden. Der in 7 dargestellte
n-MOSFET leitet bei einem Gatepotential, das um den Wert seiner
Einsatzspannung oberhalb des Sourcepotentials liegt. Dieser n-MOSFET
kann entsprechend durch einen positiven Ansteuerimpuls des Ansteuersignals
S leitend angesteuert werden. Die Ansteuerschaltung 3 ist
dazu ausgebildet, negative oder positive Ansteuerimpulse an deren
Ansteuerausgängen
zur Verfügung
zu stellen, und zwar abhängig
davon, ob ein p-MOSFET oder ein n-MOSFET an den jeweiligen Ansteuerausgang
angeschlossen ist. Die Ansteuerschaltung ist hierbei abhängig von
den verwendeten Transistoren entsprechend konfiguriert. In diesem
Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die einzelnen Schaltelemente
innerhalb einer Schaltungsanordnung auch unterschiedlich sein können, so
können einige
der ersten Schalter beispielsweise als n-MOSFET realisiert sein,
während
andere als p-MOSFET realisiert sein können. Bei der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung,
bei der zu Messzwecken die Spannung über dem induktiven Speicherelement 11 des
untersten Akkumulators 91 abgegriffen wird, ist der erste
Schalter 21 zwischen dem Pluspol 91 und dem induktiven
Speicherelement 11 anzuordnen. Dieser Schalter ist beispielsweise
als p-MOSFET realisiert, während
die übrigen
Schalter der Schaltungsanordnung als n-MOSFET realisiert sein können, die
dann, entgegen der Darstellung in 5, zwischen
den Minuspolen der jeweiligen Akkumulatoren und den zugehörigen induktiven
Speicherelementen angeordnet sind.
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Bezug
nehmend auf die 6 und 7 ist optional
ein Widerstand R zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss
des MOSFET T geschaltet. Dieser Widerstand R begrenzt die maximale
Einschaltdauer des MOSFET T, indem er die Gateelektro de abhängig vom
Widerstandswert langsam auf Sourcepotential entlädt. Dieser Widerstandswert
R ist dabei so gewählt,
dass die maximal mögliche
Einschaltdauer größer ist
als die während des
Betriebs der Schaltungsanordnung üblichen, durch die Ansteuerschaltung 3 vorgegebenen
Einschaltdauern. Damit wird eine dauerhafte leitende Ansteuerung
bei einem Fehler in der Ansteuerschaltung wirksam verhindert. Weiterhin
ist optional ein weiteres Gleichrichterelement D2, beispielsweise eine
Diode, zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des
MOSFET T geschaltet. Dieses Gleichrichterelement begrenzt das Gatepotential des
MOSFET T gegenüber
dem Sourcepotential auf einen durch die Charakteristik des Gleichrichterelements
vorgegebenen Wert. Bei der in den 6 und 7 dargestellten
Diode D2 ist dieser Wert die Durchlassspannung der Diode. Damit
wird bei der nächsten
Einschaltflanke nahezu der gesamte Spannungshub des Ansteuersignals
der Ansteuerschaltung 3 auf das Gate übertragen.