WO2010108758A1 - Schaltungsanordnung zum energieausgleich zwischen zellen - Google Patents

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WO2010108758A1
WO2010108758A1 PCT/EP2010/052550 EP2010052550W WO2010108758A1 WO 2010108758 A1 WO2010108758 A1 WO 2010108758A1 EP 2010052550 W EP2010052550 W EP 2010052550W WO 2010108758 A1 WO2010108758 A1 WO 2010108758A1
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WO
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diode
cells
cell
converter
circuit arrangement
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PCT/EP2010/052550
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Heckmann
Felix Franck
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Osram GmbH
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Osram GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/50—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/52—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries acting upon multiple batteries simultaneously or sequentially for charge balancing, e.g. equalisation of charge between batteries
    • H02J7/54—Passive balancing, e.g. using resistors or parallel MOSFETs

Definitions

  • the invention relates to a compensation unequal
  • the energy stores are also referred to as cells.
  • the cells are connected to each other in particular in a series connection.
  • the charge states of the individual cells can not be influenced, in particular can not be compensated for each other efficiently, which leads to a significantly reduced cycle stability and to a low usable depth of discharge of the cells.
  • the result is that the series connection of several cells is only as strong as their weakest cell.
  • FIG. 1 shows a block diagram with two cells 101 and 102 connected in series, wherein energy can be transferred from the cell 101 into the cell 102 on the basis of the circuit shown.
  • the circuit according to Fig.l has a terminal 109 (positive pole) and a terminal 111 (negative pole) and a center tap 110.
  • the terminal 109 is connected to the cathode of a diode 106, whose anode is connected to the cathode of a diode 105.
  • an electronic switch 103 is arranged, which can be activated via a drive unit 104.
  • the node between the diodes 105 and 106 is connected via a series circuit of a resistor 107 and a coil 108 to the center tap 110, wherein the resistor 107 at least one spare series resistor for the entire circuit, in particular for the coil 108 may include.
  • the cell 101 is located between the terminal 111 and the center tap 110, and the cell 102 is located between the center tap 110 and the terminal 109.
  • This circuit shown in Fig.l has the disadvantages that caused by the diode 106 losses and that only one energy direction is taken into account.
  • the object of the invention is to avoid the above-mentioned disadvantages and in particular to provide an efficient way to compensate for different states of charge between cells.
  • the (at least one) transducer By means of the (at least one) transducer, different charge states of the cells can be compensated efficiently.
  • the converter allows a direction independent displacement of electrical energy between the cells.
  • a state of charge of the weakest cell of the series connection can be compensated automatically from multiple cells and thus the performance of the entire cell array can be significantly increased.
  • the cell comprises at least one of the following components:
  • the cell may also be used as a voltage source, e.g. a battery, be configured or at least include such.
  • a cell can comprise a parallel connection of several rechargeable batteries, it also being possible to conceive of an interconnection of energy stores (for example rechargeable batteries) as a cell.
  • a cell may include multiple rechargeable 12V blocks. Parts of the cells may be connected in series and / or in parallel.
  • the cells have at least partially different voltages and / or capacitances. This could e.g. by asymmetric duty cycles (see more below).
  • the voltages or charges of the individual cells of a chain may not necessarily be the same but also adapted to the cell.
  • the voltages or landings of different cells can be quite different from each other.
  • the approach proposed here makes it possible to balance charges or voltages of individual cells.
  • Another development is that a capacitor is arranged parallel to the cell.
  • the converter is a converter with a boosting functionality and with a low-set functionality, in particular a symmetrical converter.
  • the converter can be an electronic Includes circuit breaker, which is also referred to here as (electronic) switch.
  • the transducer has two electronic switches in parallel with the cells, wherein parallel to each switch, a diode is arranged, the cathode is aligned in the direction of the positive pole of the circuit, wherein - parallel to the two switches, a capacitor and / or in a branch in the direction of the outer poles of the cells depending on an inductance in series with the two electronic switches, wherein the inductors are optionally coupled, is arranged or
  • the electronic switch comprises at least one of the following components:
  • the electronic switches of the converter are alternately controllable for a predetermined period of time, in particular with a duty cycle of (substantially or exactly ever) 50%.
  • a group of first switches may be activatable for a first time period in a first time interval and a group of second switches may be activated in one second time interval for a second period of time to be activated.
  • the first time period and the second time duration complement each other at a time interval. Accordingly, this approach is possible for any number of m groups of switches. Each of the m groups may have a different number of switches.
  • the converter comprises one of the following components: a half-bridge circuit;
  • a flyback converter in particular with an active synchronously operable rectifier
  • a Cuk converter in particular with an active synchronously operable rectifier
  • a Cuk converter in particular with coupled inductors and / or an active synchronously operable rectifier.
  • An alternative embodiment is that a plurality of transducers are provided, wherein at least partially a cell can be driven by a plurality of transducers.
  • a next embodiment is that a plurality of transducers are arranged partially overlapping and / or encompassing the at least two cells.
  • the plurality of transducers are controlled alternately.
  • a development consists in that an energy balance between the at least two cells can be temporarily deactivated.
  • the circuit arrangement is operated in an energy-saving mode, ie that only temporarily (possibly iteratively with specifiable time interval) carried out an energy balance becomes. Accordingly, the energy balance can be activated for a predetermined period of time.
  • At least one illuminant or at least one lamp in particular at least one light-emitting diode
  • the cells may be embodied as lead-acid cells, nickel-metal hydride cells, nickel-cadmium cells, lithium-ion cells, lithium polymer cells, lithium iron phosphate cells (LiFePo4) and / or lithium titanate cells.
  • different cell types can be used in combination.
  • the above object is also achieved by a method for controlling the circuit arrangement described here, comprising a drive unit, by means of which the at least one converter is activated or deactivated.
  • the electronic switches of the at least one converter are correspondingly activated by means of the drive unit.
  • FIG. 5 shows a circuit example for balancing the energy between two cells by means of a synchronous Cuk converter with coupled inductances
  • FIG. 6 shows a circuit for balancing the energy between three cells connected in series, wherein a capacitor is arranged parallel to each cell;
  • FIG. 7 shows a circuit for balancing the energy between four series-connected cells, wherein a capacitor is arranged parallel to each cell;
  • Figure 11 shows another circuit for balancing the energy between six cells connected in series
  • Figure 12 shows an additional circuit for balancing the energy between six cells connected in series
  • FIG. 13 shows a circuit for balancing the energy between six cells connected in series with an encompassing Cuk converter.
  • At least one converter also called a cell converter
  • a cell converter can be used for energy balancing between cells, which has both a boosting functionality and a low-set functionality.
  • a two-quadrant converter can be used.
  • the transducer is preferably symmetrical.
  • At least one of the following components can be used as converter: a half-bridge;
  • a flyback converter in particular with an active synchronously operable rectifier
  • a Cuk converter in particular with an active synchronously operable rectifier
  • a Cuk converter in particular with coupled inductors and / or an active synchronously operable rectifier.
  • the above components can be combined with each other.
  • the cells are connected in series with each other.
  • any energy store can be used as a cell, for example an accumulator cell or a capacitor. It is also possible that a rechargeable battery with a parallel capacitor is used as a cell.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement for a possible realization of the energy balance between two cells 201, 202 by means of a synchronous half-bridge.
  • the circuit according to FIG. 2 has a terminal 209 (positive pole) and a terminal 211 (negative pole) and a center tap 210.
  • the terminal 209 is connected to the cathode of a diode 206 whose anode is connected to the cathode of a diode 205.
  • Parallel to the diode 205 is an electronic switch 203 and parallel to the diode 206, an electronic switch 212 is arranged.
  • the electronic switches 203 and 212 can be activated via a drive unit 204.
  • the node between the diodes 205 and 206 is connected via a series circuit of a resistor 207 and a coil 208 to the center tap 210, wherein the resistor 207 may comprise at least one equivalent series resistor for the entire circuit, in particular for the coil 208.
  • the cell 201 is located between the port 211 and the center tap 210, and the cell 202 is located between the center tap 210 and the port 209.
  • the electronic switch may be any controllable switch, e.g. Transistor, Mosfet, IGBT, etc., can act.
  • FIG. 3 shows another circuit example for balancing the energy between two cells by means of a synchronous flyback converter.
  • the circuit according to Figure 3 has two cells Zl, Z2, which are connected in series.
  • the positive terminal of the cell Z2 is connected to a terminal Z2p
  • the negative terminal of the cell Zl is connected to a terminal ZIm
  • a center tap between the cells Zl, Z2 is connected to a terminal Zmid.
  • the terminal Z2p is connected via an inductance L2 to the cathode of a diode D2.
  • the anode of the diode D2 is connected to the terminal Zmid and to the cathode of a diode Dl.
  • the anode of the diode Dl is connected via an inductance Ll to the terminal ZIm.
  • the inductance Ll and the inductance L2 are coupled together.
  • the turn ratio in this coupled inductance can be particularly advantageously 1: 1, i.
  • the inductors L 1 and L 2 taken separately are each of the same number of turns and thus (other tolerances, in particular those of the core neglected) have the same inductance value.
  • an electronic switch S2 Parallel to the diode D2 is an electronic switch S2 and parallel to the diode Dl is provided an electronic switch Sl. Both electronic switches Sl, S2 can be activated (de) by means of a drive unit (not shown).
  • FIG. 4 shows a circuit example for balancing the energy between two cells by means of a synchronous Cuk converter.
  • the circuit according to Figure 4 has two cells Zl, Z2, which are connected in series.
  • the positive terminal of the cell Z2 is connected to a terminal Z2p
  • the negative terminal of the cell Zl is to a terminal ZIm
  • a center tap between the cells Z1, Z2 is connected to a terminal Zmid.
  • the two inductors L 1 and L 2 in each case also have a (substantially) identical inductance value in a particularly advantageous embodiment.
  • the terminal Z2p is connected via an inductance L2 to the cathode of a diode D2.
  • the anode of the diode D2 is connected to the terminal Zmid and to the cathode of a diode Dl.
  • the anode of the diode Dl is connected via an inductance Ll to the terminal ZIm.
  • an electronic switch S2 Parallel to the diode D2 is an electronic switch S2 and parallel to the diode Dl is provided an electronic switch Sl. Both electronic switches Sl, S2 can be activated (de) by means of a drive unit (not shown).
  • the capacitor C_cuk which is typical for a Cuk converter, is connected between the cathode of the diode D2 and the anode of the diode D1. Its value is preferably dimensioned such that the resonance frequency resulting from it and the sum of the two values of the inductances L1 and L2 is clearly below the clock frequency with which the two electronic switches S1 and S2 can be controlled.
  • FIG. 4 shows the value of a capacitor C cuk according to FIG. 5 in such a way that the resonance frequency resulting therefrom and the leakage inductance between the inductances L 1 and L 2 is clearly below the clock frequency with which the two electronic switches S 1 and S 2 can be controlled are.
  • FIG. 5 shows a circuit example for balancing the energy between two cells by means of a synchronous Cuk converter with coupled inductances.
  • the circuit according to FIG. 5 is based on the circuit shown in FIG. 4, only in FIG. 5 the inductance L 1 and the inductance L 2 are coupled together.
  • the illustrated circuit topologies half-bridge, flyback converter, coupled Cuk converter
  • Inductors Cuk converters without coupled inductors
  • the electronic switches are activated alternately for a predetermined period of time.
  • the electronic switches can be mutually active (50% / 50% duty cycle).
  • an asymmetrical duty cycle can be advantageous.
  • Period determined which elapses between a first and a re-activation of the first electronic switch after exactly one intermediate deactivation.
  • Said clock frequency is in a particularly advantageous embodiment above the human
  • said period duration is approximately complete of activation phases of the 1st (, 3rd, 5th, ...) electronic switch (with simultaneous deactivation of the 2nd (, 4th, 6th, ...) electronic switch) and activation phases of the 2nd (, 4th, 6th, ...) electronic switch (with simultaneous deactivation of the l. (, 3rd, 5th, ...) electronic switch) filled.
  • a “50% -50% duty-cycle” or a “symmetrical duty-cycle” means in particular that both individual activation phases of a period can definitely make up ⁇ 50% of the period duration, but the two activation phases have the same duration.
  • the charge and / or voltage states of two or even more cells can be compensated with minimal losses.
  • the approach proposed here is scalable for any number of cells. With more than two transducers, the individual transducers or half bridges alternate in the control. Alternatively, one of these may be different
  • a driving method can be selected, wherein each alternate switch is always activated.
  • the approach proposed here can be used in battery-operated LED lighting systems, which are supplied with two (or more) lead-acid battery cells.
  • R L is an equivalent resistance of the inductor arranged in series and R dsO N is a residual resistance of an activated electronic switch, eg a MOSFET transistor.
  • a current ripple can be adjusted by a corresponding choice of inductors.
  • duty Cyles can be used near 50%. This allows a simplified opposing control of both switches.
  • an independent voltage setpoint can be generated via two resistors and a setpoint / actual value comparison can readjust the duty cycle of the control.
  • n cells with n setpoints can be derived, which, unlike simple cascading, does not require n-1 half-bridges for n cells, but only n / 2 half-bridges.
  • the energy balance between n> 2 cells with any direction of energy flow is sufficient for the 50% -50% duty cycle.
  • the switches are in this case driven alternately according to a zebra pattern, i. first, the odd-numbered switches S1, S3, S5, ... are active, then the even-numbered switches S2, S4, S6, ...
  • each second converter in the form of a switching stage is preferably designed as a half-bridge.
  • the switches may be shared by the respective adjacent transducers or switching stages, i. Each converter shares one of its switches with the respective converter adjacent to the switch.
  • a "encompassing" Cuk-converter or a “encompassing” flyback converter can be used, wherein a top AND a low voltage level considered (with a difference of more than two cells) are each occupied by an inductor, if these two inductors with each other coupled and possibly the two (moving) voltage levels across a Cuk Capacitor connected between the top and bottom voltage levels.
  • FIG. 6 shows a circuit with three cells Z1, Z2, Z3 connected in series, a capacitor C1, C2, C3 being arranged parallel to each cell.
  • the series connection of the cells Z1 to Z3 is connected to the terminal Pos (positive pole) and to the terminal Neg (negative pole). The connection between the
  • Cell Z1 and cell Z2 is referred to as a node K1, and the connection between cell Z2 and cell Z3 is referred to as a node K2.
  • the terminal Pos is connected to the cathode of a diode D3, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2 and D2, the anode of the diode D2 is connected to the cathode of a diode Dl and the anode of the diode D1 is via an inductance Ll connected to the port Neg.
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2 and parallel to the diode D3, an electronic switch S3 is provided.
  • the anode of the diode D3 is further connected via an inductance L2 to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected to the node Kl.
  • a capacitor CkI is provided either parallel to the diodes D1 and D2 (Cuk capacitor) or the inductors L1 and L2 are coupled together. It is also possible that both the capacitor CkI and the coupling between the inductors Ll and L2 are provided.
  • FIG. 6 shows a half-bridge 602 comprising the switches S2 and S3 and a cuk-converter 601 with the Switches Sl and S2. If the capacitor CkI is omitted, this is a flyback converter 601.
  • the switches S1 and S3 are activated synchronously and the switch S2 is activated when the switches S1 and S3 are inactive.
  • FIG. 6 enables an energy balance between three cells Z1 to Z3 at four voltage levels.
  • FIG. 7 shows a circuit for energy balance between four cells Zl to Z4, wherein a capacitor C 1 to C 4 is arranged parallel to each cell.
  • the series connection of the cells Z1 to Z4 is connected to the terminal Pos (positive pole) and to the terminal Neg (negative pole).
  • the connection between the cell Z1 and the cell Z2 is called a node K1
  • the connection between the cell Z2 and the cell Z3 is called a node K2
  • the connection between the cell Z3 and Z4 is called a node K3.
  • the terminal Pos is connected to the cathode of a diode D4, the anode of the diode D4 is connected to the cathode of a diode D3, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2 and D2, the anode of the diode D2 is connected to the cathode a diode Dl connected and the anode of the diode Dl is connected to the terminal Neg.
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2
  • parallel to the diode D3 is an electronic switch S3
  • parallel to the diode D4 is provided an electronic switch S4.
  • the anode of the diode D4 is further connected via an inductance L2 to the node K3, the anode of the diode D3 is connected to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected via an inductance Ll to the node Kl.
  • a capacitor CkI is provided either parallel to the diodes D2 and D3 (Cuk capacitor) or the inductors L1 and L2 are coupled together. It is also possible that both the capacitor CkI and the coupling between the inductors Ll and L2 are provided.
  • FIG. 7 shows a half-bridge 701 comprising the switches S1 and S2, a half-bridge 702 comprising the switches S3 and S4 and a cuk-converter 703 with the switches S2 and S3. If the capacitor CkI is omitted, this is a flyback converter 703.
  • the switches Sl and S3 are controlled synchronously and the switches S2 and S4 are then driven synchronously when the switches Sl and S3 are inactive.
  • FIG. 8 shows an alternative circuit for energy balance between four cells Z1 to Z4, wherein a capacitor C1 to C4 is arranged parallel to each cell.
  • the series connection of the cells Z1 to Z4 is connected to the terminal Pos (positive pole) and to the terminal Neg (negative pole).
  • the connection between the cell Z1 and the cell Z2 is called a node K1
  • the connection between the cell Z2 and the cell Z3 is called a node K2
  • the connection between the cell Z3 and Z4 is called a node K3.
  • the terminal Pos is connected via an inductance L3 to the cathode of a diode D4, the anode of the diode D4 is connected to the cathode of a diode D3, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2 and, the anode of the diode D2 is connected to the cathode of a diode Dl and the anode of the diode Dl is connected via an inductance Ll to the terminal Neg.
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2
  • parallel to the diode D3 is an electronic switch S3 and parallel to the diode D4 is provided an electronic switch S4.
  • the anode of the diode D4 is further connected to the node K3, the anode of the diode D3 is connected via an inductance L2 to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected to the node Kl. Furthermore, a capacitor CkI, parallel to the diodes D3 and D4 a capacitor Ck2 and parallel to the diodes Dl to D4, a capacitor Ck3 are optionally provided parallel to the diodes Dl and D2. Optional are the
  • FIG. 8 shows a half bridge 801 comprising the switches S2 and S3, as well as a crank converter 802 with the switches S1 and S2 and a crank converter 803 with the switches S3 and S4. Further, a wrap-around Cuk converter 804 is shown with the switches Sl and S4. If the respective Cuk capacitor is omitted, the Cuk converter becomes a flyback converter.
  • FIG. 9 shows a circuit for energy balance between six cells Z1 to Z6, wherein a capacitor C 1 to C 6 is arranged parallel to each cell.
  • connection Pos positive pole
  • connection Neg negative pole
  • the connection between the cell Z1 and the cell Z2 is called a node K1
  • the connection between the cell Z2 and the cell Z3 is called a node K2
  • the connection between the cell Z3 and the cell Z4 is called a node K3
  • the connection between the cell Z4 and the cell Z5 is called a node K4
  • the connection between the cell Z5 and the cell Z6 is referred to as a node K5.
  • the terminal Pos is connected to the cathode of a diode D6, the anode of the diode D6 is connected to the cathode of a diode D5, the anode of the diode D5 is connected to the cathode of a diode D4, the anode of the diode D4 is connected to the cathode of one Diode D3 connected, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2 and D2, the anode of the diode D2 is connected to the cathode of a diode Dl and the anode of the diode Dl is connected to the terminal Neg.
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2
  • parallel to the diode D3 is an electronic switch S3
  • parallel to the diode D4 is an electronic switch S4
  • parallel to the diode D5 an electronic switch S5 and parallel to the diode D6, an electronic switch S6 is provided.
  • the anode of the diode D6 is connected via an inductance L3 to the node K5, the anode of the diode D5 is connected to the node K4, the anode of the diode D4 is connected via an inductance L2 to the node K3, which is the anode of the diode D3 connected to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected via an inductance Ll to the node Kl.
  • Capacitor CkI provided.
  • the inductors L1 and L2 are coupled together.
  • FIG. 9 shows a half bridge 901 comprising the switches S1 and S2, a half bridge 902 with the switches S3 and S4 and a half bridge 903 with the switches S5 and S6. Furthermore, FIG. 9 shows a flyback converter 904 the switches S2 and S3 and a Cuk converter 905 with the switches S4 and S5.
  • FIG. 10 shows an alternative circuit for energy balance between six cells Z1 to Z6, wherein a capacitor C1 to C6 is arranged parallel to each cell.
  • the series connection of the cells Z1 to Z6 is connected to the terminal Pos (positive pole) and to the terminal Neg (negative pole).
  • the connection between the cell Z1 and the cell Z2 is called a node K1
  • the connection between the cell Z2 and the cell Z3 is called a node K2
  • the connection between the cell Z3 and the cell Z4 is called a node K3
  • the connection between the cell Z4 and the cell Z5 is referred to as a node K4
  • the connection between the cell Z5 and the cell Z6 is referred to as a node K5.
  • the terminal Pos is connected to the cathode of a diode D6, the anode of the diode D6 is connected to the cathode of a diode D5, the anode of the diode D5 is connected to the cathode of a diode D4, the anode of the diode D4 is connected to the cathode of one Diode D3 connected, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2 and D2, the anode of the diode D2 is connected to the cathode of a diode Dl and the anode of the diode Dl is connected to the terminal Neg.
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2
  • parallel to the diode D3 is an electronic switch S3
  • parallel to the diode D4 is an electronic switch S4
  • parallel to the diode D5 an electronic switch S5 and parallel to the diode D6, an electronic switch S6 is provided.
  • the anode of the diode D6 is connected via an inductance L3 to the node K5, the anode of the diode D5 is connected to the node K4, the anode of the diode D4 is connected via an inductance L2 to the node K3, which is the anode of the diode D3 connected to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected via an inductance Ll to the node Kl.
  • a capacitor CkI and, parallel to the diodes D4 and D5, a capacitor Ck2 are optionally arranged parallel to the diodes D2 and D3.
  • the inductors L1, L2 and L3 are optionally coupled together.
  • FIG. 10 shows a half bridge comprising the switches S1 and S2, a half bridge with the switches S3 and S4, and a half bridge with the switches S5 and S6. Furthermore, FIG. 10 shows two encompassing Cuk converters with the switches S2 and S3 or S4 and S5, which can optionally be embodied as flyback converters (without the capacitors CkI and Ck2).
  • FIG. 11 shows an alternative circuit for energy balance between six cells Z1 to Z6, wherein a capacitor C1 to C6 is arranged parallel to each cell.
  • the series connection of the cells Z1 to Z6 is connected to the terminal Pos (positive pole) and to the terminal Neg (negative pole).
  • the connection between cell Z1 and cell Z2 is called a node K1
  • connection between the cell Z2 and the cell Z3 is called a node K2
  • the connection between the cell Z3 and the cell Z4 is called a node K3
  • the connection between the cell Z4 and the cell Z5 is called a node K4
  • the connection between cell Z5 and cell Z6 is referred to as a node K5.
  • the terminal Pos is connected via an inductor L4 to the cathode of a diode D6, the anode of the diode D6 is connected to the cathode of a diode D5, the anode of the diode D5 is connected to the cathode of a diode D4 which is the anode of the diode D4 connected to the cathode of a diode D3, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2 and D2, the anode of the diode D2 is connected to the cathode of a diode Dl and the anode of the diode D1 is connected via an inductance Ll to the terminal Neg connected.
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2
  • parallel to the diode D3 is an electronic switch S3
  • parallel to the diode D4 is an electronic switch S4
  • parallel to the diode D5 an electronic switch S5 and parallel to the diode D6, an electronic switch S6 is provided.
  • the anode of the diode D6 is connected to the node K5, the anode of the diode D5 is connected via an inductance L3 to the node K4, the anode of the diode D4 is connected to the node K3, the anode of the diode D3 is connected via an inductance L2 connected to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected to the node Kl.
  • the inductors L2 and L3 are coupled together.
  • a capacitor Ck3 is connected in parallel with the diodes D1 and D2, and a capacitor Ck4 is arranged in parallel with the diodes D5 and D6.
  • FIG. 11 shows a half bridge comprising the switches S2 and S3, a half bridge with the switches S4 and S5, and a Cuk converter with switches S1 and S2 and a Cuk converter with switches S5 and S6. Furthermore, a flyback converter with the switches S3 and S4 is present.
  • capacitor Ck2 On the basis of the optional capacitor Ck2 can be a encompassing Cuk-converter or on the basis of the connection of the inductors Ll and L4, a encompassing flyback converter (without capacitor Ck2) can be realized.
  • FIG. 12 shows an alternative circuit for energy balance between six cells Z1 to Z6, wherein a capacitor C1 to C6 is arranged parallel to each cell.
  • the series connection of the cells Z1 to Z6 is connected to the terminal Pos (positive pole) and to the terminal Neg (negative pole).
  • the connection between cell Z1 and cell Z2 is called a node K1
  • connection between the cell Z2 and the cell Z3 is called a node K2
  • the connection between the cell Z3 and the cell Z4 is called a node K3
  • the connection between the cell Z4 and the cell Z5 is called a node K4
  • the connection between cell Z5 and cell Z6 is referred to as a node K5.
  • the terminal Pos is connected via an inductor L4 to the cathode of a diode D6, the anode of the diode D6 is connected to the cathode of a diode D5, the anode of the diode D5 is connected to the cathode of a diode D4 which is the anode of the diode D4 connected to the cathode of a diode D3, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2, the anode of the diode D2 is connected to the cathode of a diode Dl and the anode of the diode Dl is connected via an inductance Ll to the terminal Neg connected .
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2
  • parallel to the diode D3 is an electronic switch S3
  • parallel to the diode D4 is an electronic switch S4
  • parallel to the diode D5 an electronic switch S5 and parallel to the diode D6, an electronic switch S6 is provided.
  • the anode of the diode D6 is connected to the node K5, the anode of the diode D5 is connected via an inductance L3 to the node K4, the anode of the diode D4 is connected to the node K3, the anode of the diode D3 is connected via an inductance L2 connected to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected to the node Kl.
  • the inductors L1 and L2 are coupled together, and the inductors L3 and L4 are coupled together. Parallel to the diodes D3 and D4, a capacitor CkI is arranged.
  • FIG. 12 shows a half bridge comprising the switches S2 and S3, a half bridge with the switches S4 and S5, and a Cuk converter with the switches S3 and S4, a flyback converter with the switches S1 and S2, and a flyback converter the switches S5 and S6.
  • FIG. 13 shows an alternative circuit for balancing energy between six cells Z1 to Z6, wherein a capacitor C1 to C6 is arranged parallel to each cell.
  • the series connection of the cells Z1 to Z6 is connected to the terminal Pos (positive pole) and to the terminal Neg (negative pole).
  • the connection between the cell Z1 and the cell Z2 is called a node K1
  • the connection between the cell Z2 and the cell Z3 is called a node K2
  • the connection between the cell Z3 and the cell Z4 is considered a node K3
  • the connection between the cell Z4 and the cell Z5 becomes a node K4
  • the connection between the cell Z5 and the cell Z6 is called a node K5 denotes.
  • the terminal Pos is connected via an inductor L4 to the cathode of a diode D6, the anode of the diode D6 is connected to the cathode of a diode D5, the anode of the diode D5 is connected to the cathode of a diode D4 which is the anode of the diode D4 connected to the cathode of a diode D3, the anode of the diode D3 is connected to the cathode of a diode D2, the anode of the diode D2 is connected to the cathode of a diode Dl and the anode of the diode Dl is connected via an inductance Ll to the terminal Neg connected .
  • Parallel to the diode Dl is an electronic switch Sl
  • parallel to the diode D2 is an electronic switch S2
  • parallel to the diode D3 is an electronic switch S3
  • parallel to the diode D4 is an electronic switch S4
  • parallel to the diode D5 an electronic switch S5 and parallel to the diode D6, an electronic switch S6 is provided.
  • the anode of the diode D6 is connected to the node K5, the anode of the diode D5 is connected via an inductance L3 to the node K4, the anode of the diode D4 is connected to the node K3, the anode of the diode D3 is connected via an inductance L2 connected to the node K2 and the anode of the diode D2 is connected to the node Kl.
  • the inductors L1 and L2 are coupled together, and the inductors L3 and L4 are coupled together.
  • 13 shows a half-bridge comprising the switches S2 and S3, a half-bridge with the switches S4 and S5 and a encompassing Cuk converter with the switches S1 and S6, a flyback converter with the switches S1 and S2 and a flyback converter with the switches S5 and S6.
  • the cells Z1 and Z6 are balanced by means of the encompassing Cuk converter, the transfer of the voltages takes place via the two independent flyback converters to the two half bridges.
  • the two internal switches S3 and S4 are only used by one converter. If the edges are occupied by inductances and at the same time all inductances involved in the energy balance are coupled in the same direction in the same direction, this encompassing topology results.
  • a common sense coupling of the inductors is an advantageous embodiment for a number of more than four cells (n> 4).
  • the coupling of the inductors is optional.
  • the compensation circuit does not have to be operated permanently. For example, it is possible to save energy by providing hystereses to enable energy balance only when exceeding a predetermined threshold (e.g., imbalance).
  • a predetermined threshold e.g., imbalance

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen mindestens zwei Zellen (Zl, Z2, Z3) angegeben, bei der die mindestens zwei Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind und bei der für je zwei Zellen ein Wandler (601, 602) vorgesehen ist.

Description

Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen Zellen
Die Erfindung betrifft einen Ausgleich ungleicher
Ladezustände von Energiespeichern oder Spannungsquellen, z.B. Akkuzellen in Akkus.
Die Energiespeicher werden auch als Zellen bezeichnet. Die Zellen sind insbesondere in einer Reihenschaltung miteinander verbunden.
Ohne Zugänge zu Mittelknoten und ohne eine entsprechende Beschaltung können die Ladezustände der einzelnen Zellen nicht beeinflusst, insbesondere nicht effizient gegenseitig ausgeglichen werden, was zu einer deutlich reduzierten Zyklenfestigkeit und zu einer geringen nutzbaren Entladungstiefe der Zellen führt. Hieraus resultiert, dass die Reihenschaltung aus mehreren Zellen nur so stark ist wie deren schwächste Zelle.
Fig.l zeigt ein Blockschaltbild mit zwei in Reihe geschalteten Zellen 101 und 102, wobei anhand der gezeigten Schaltung Energie aus der Zelle 101 in die Zelle 102 transferiert werden kann.
Die Schaltung gemäß Fig.l hat einen Anschluss 109 (positiver Pol) sowie einen Anschluss 111 (negativer Pol) und einen Mittenabgriff 110. Der Anschluss 109 ist mit der Kathode einer Diode 106 verbunden, deren Anode mit der Kathode einer Diode 105 verbunden ist. Parallel zu der Diode 105 ist ein elektronischer Schalter 103 angeordnet, der über eine Ansteuereinheit 104 aktivierbar ist. Der Knoten zwischen den Dioden 105 und 106 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 107 und einer Spule 108 mit dem Mittenabgriff 110 verbunden, wobei der Widerstand 107 mindestens einen Ersatzserienwiderstand für die gesamte Schaltung, insbesondere für die Spule 108, umfassen kann. Die Zelle 101 liegt zwischen dem Anschluss 111 und dem Mittenabgriff 110 und die Zelle 102 liegt zwischen dem Mittenabgriff 110 und dem Anschluss 109.
Diese in Fig.l gezeigte Schaltung weist die Nachteile auf, dass durch die Diode 106 Verluste entstehen und dass nur eine Energierichtung berücksichtigt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Möglichkeit zu schaffen, unterschiedliche Ladezustände zwischen Zellen auszugleichen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen mindestens zwei Zellen angegeben,
- bei der die mindestens zwei Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind;
- bei der für je zwei Zellen ein Wandler vorgesehen ist.
Anhand des (mindestens einen) Wandlers können unterschiedliche Ladezustände der Zellen effizient ausgeglichen werden. Der Wandler ermöglicht eine richtungsunabhängige Verschiebung von elektrischer Energie zwischen den Zellen. Somit kann automatisch ein Ladezustand der schwächsten Zelle der Reihenschaltung aus mehreren Zellen ausgeglichen werden und somit die Performanz der gesamten Zellanordnung deutlich gesteigert werden.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Zelle mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:
- Einen Energiespeicher; - einen Akkumulator;
- eine Akkumulatorzelle;
- einen Kondensator;
- eine Solarzelle.
Die Zelle kann auch als eine Spannungsquelle, z.B. eine Batterie, ausgestaltet sein oder mindestens eine solche umfassen .
Eine Zelle kann insbesondere eine Parallelschaltung mehrerer Akkus umfassen, wobei auch eine Zusammenschaltung von Energiespeichern (z.B. Akkus) als Zelle aufgefasst werden kann. Insbesondere kann eine Zelle mehrere wiederaufladbare 12V-Blöcke umfassen. Teile der Zellen können in Reihe und/oder parallel geschaltet sein.
Insbesondere ist es möglich, dass die Zellen zumindest teilweise unterschiedliche Spannungen und/oder Kapazitäten aufweisen. Dem könnte z.B. mittels asymmetrischer Duty- Cycles begegnet werden (siehe mehr dazu weiter unten) .
Es ist ausdrücklich angemerkt, dass die Spannungen oder Ladungen der einzelnen Zellen einer Kette nicht unbedingt gleich, sondern auch der Zelle angepasst sein können. Insoweit können die Spannungen oder Landungen unterschiedlicher Zellen durchaus verschieden voneinander sein. Somit ermöglicht der hier vorgeschlagene Ansatz, Ladungen oder Spannungen einzelner Zellen auszugleichen.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass parallel zu der Zelle ein Kondensator angeordnet ist.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Wandler ein Wandler mit einer Hochsetzfunktionalität und mit einer TiefSetzfunktionalität, insbesondere ein symmetrischer Wandler, ist. Der Wandler kann einen elektronischen Leistungsschalter umfassen, der hier auch als (elektronischer) Schalter bezeichnet wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass - der Wandler zwei elektronische Schalter parallel zu den Zellen aufweist, wobei parallel zu jedem Schalter eine Diode angeordnet ist, deren Kathode in Richtung des positiven Pols der Schaltungsanordnung ausgerichtet ist, wobei - parallel zu den beiden Schaltern ein Kondensator und/oder in einem Zweig in Richtung der Außenpole der Zellen je eine Induktivität in Reihe mit den beiden elektronischen Schaltern, wobei die Induktivitäten optional gekoppelt sind, angeordnet ist oder
- in einem Zweig in Richtung eines Mittenabgriffs der Zellen eine Induktivität angeordnet ist.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der elektronische Schalter mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:
- Einen elektronischen Leistungsschalter;
- einen Transistor;
- einen Mosfet;
- einen IGBT.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung sind die elektronischen Schalter des Wandlers abwechselnd für eine vorgegebene Zeitdauer, insbesondere mit einem Duty-Cycle von (im Wesentlichen oder genau je) 50% ansteuerbar.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die elektronischen Schalter mit einem asymmetrischen Duty-Cycle ansteuerbar sind.
Insbesondere kann eine Gruppe von ersten Schaltern in einem ersten Zeitintervall für eine erste Zeitdauer aktivierbar sein und eine Gruppe von zweiten Schaltern kann in einem zweiten Zeitintervall für eine zweite Zeitdauer aktivierbar sein. Entsprechend ergänzen sich die erste Zeitdauer und die zweite Zeitdauer zu einem Zeitintervall. Entsprechend ist dieser Ansatz für eine beliebige Anzahl m Gruppen von Schaltern möglich. Jede der m Gruppen kann eine unterschiedliche Anzahl von Schaltern aufweisen.
Eine Ausgestaltung ist es, dass der Wandler eine der folgenden Komponenten umfasst: - Eine Halbbrückenschaltung;
- einen Flyback-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
- einen Cuk-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter; - einen Cuk-Wandler, insbesondere mit gekoppelten Induktivitäten und/oder einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass mehrere Wandler vorgesehen sind, wobei zumindest teilweise eine Zelle von mehreren Wandlern ansteuerbar ist.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass mehrere Wandler teilweise überlappend und/oder umgreifend für die mindestens zwei Zellen angeordnet sind.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die mehreren Wandler abwechselnd ansteuerbar sind.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass ein Energieausgleich zwischen den mindestens zwei Zellen zeitweise deaktivierbar ist .
Hierdurch ist es möglich, dass zeitweise die Schaltungsanordnung in einem energiesparenden Modus betrieben wird, d.h. dass nur zeitweise (ggf. iterativ mit vorgebbarem Zeitabstand) ein Energieausgleich durchgeführt wird. Dementsprechend kann der Energieausgleich für eine vorgegebene Zeitdauer aktivierbar sein.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Leuchtsystem umfassend
- mindestens ein Leuchtmittel oder mindestens eine Lampe, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode,
- die Schaltungsanordnung wie hierin beschrieben zur Versorgung des mindestens einen Leuchtmittels oder der mindestens einen Lampe mit elektrischer
Energie .
Insbesondere können die Zellen als Bleiakkuzellen, Nicke- Metallhydrid-Zellen, Nickel-Kadmium-Zellen, Lithium-Ionen- Zellen, Lithium-Polymer-Zellen, Lithium-Eisenphosphat- Zellen (LiFePo4) und/oder Lithium-Titanat-Zellen ausgeführt sein. Auch können unterschiedliche Zellentypen kombiniert eingesetzt werden.
Auch wird die vorstehende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung der hier beschriebenen Schaltungsanordnung umfassend eine Ansteuereinheit, anhand derer der mindestens eine Wandler aktiviert bzw. deaktiviert wird.
Insbesondere werden mittels der Ansteuereinheit die elektronischen Schalter des mindestens einen Wandlers entsprechend angesteuert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
Fig.2 eine Schaltungsanordnung für eine mögliche
Realisierung eines Energieausgleichs zwischen zwei Zellen mittels einer synchronen Halbbrücke; Fig.3 ein weiteres Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der
Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Flyback-Wandlers;
Fig.4 ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk-
Wandlers;
Fig.5 ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk- Wandlers mit gekoppelten Induktivitäten;
Fig.6 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen drei in Reihe geschalteten Zellen, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator angeordnet ist;
Fig.7 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen vier in Reihe geschalteten Zellen, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator angeordnet ist;
Fig.8 eine alternative Schaltung zum Ausgleich der
Energie zwischen vier in Reihe geschalteten Zellen;
Fig.9 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator angeordnet ist;
Fig.10 eine alternative Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten
Zellen;
Fig.11 eine weitere Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen; Fig.12 eine zusätzliche Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen;
Fig.13 eine Schaltung zum Ausgleich der Energie zwischen sechs in Reihe geschalteten Zellen mit einem umgreifenden Cuk-Wandler.
Beispielsweise wird vorgeschlagen, eine synchron gleichrichtende Halbbrücke mit einer Drossel für einen äußerst verlustarmen Ladungsausgleich einzusetzen. Aus der stärkeren Zelle wird Energie entnommen und in die schwächere Zelle transferiert. Es gibt hierbei keine Energie-Vorzugsrichtung.
Grundsätzlich ist zum Energieausgleich zwischen Zellen mindestens ein Wandler (auch: Zellwandler) einsetzbar, der sowohl eine Hochsetzfunktionalität als auch eine TiefSetzfunktionalität aufweist. Insbesondere kann ein Zwei-Quadrantenwandler eingesetzt werden. Der Wandler ist vorzugsweise symmetrisch.
Als Wandler kann mindestens eine der folgenden Komponenten eingesetzt werden: - Eine Halbbrücke;
- ein Flyback-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
- ein Cuk-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter; - ein Cuk-Wandler, insbesondere mit gekoppelten Induktivitäten und/oder einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter.
Insbesondere können die vorstehenden Komponenten miteinander kombiniert werden. Die Zellen sind miteinander in Reihe geschaltet. Hierbei kann jedweder Energiespeicher als Zelle verwendet werden, z.B. eine Akkumulatorzelle oder ein Kondensator. Auch ist es möglich, dass eine wiederaufladbare Batterie mit einem parallel geschalteten Kondensator als Zelle eingesetzt wird.
Fig.2 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine mögliche Realisierung des Energieausgleichs zwischen zwei Zellen 201, 202 mittels einer synchronen Halbbrücke.
Die Schaltung gemäß Fig.2 hat einen Anschluss 209 (positiver Pol) sowie einen Anschluss 211 (negativer Pol) und einen Mittenabgriff 210. Der Anschluss 209 ist mit der Kathode einer Diode 206 verbunden, deren Anode mit der Kathode einer Diode 205 verbunden ist. Parallel zu der Diode 205 ist ein elektronischer Schalter 203 und parallel zu der Diode 206 ist ein elektronischer Schalter 212 angeordnet. Die elektronischen Schalter 203 und 212 sind über eine Ansteuereinheit 204 aktivierbar. Der Knoten zwischen den Dioden 205 und 206 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 207 und einer Spule 208 mit dem Mittenabgriff 210 verbunden, wobei der Widerstand 207 mindestens einen Ersatzserienwiderstand für die gesamte Schaltung, insbesondere für die Spule 208, umfassen kann. Die Zelle 201 liegt zwischen dem Anschluss 211 und dem Mittenabgriff 210 und die Zelle 202 liegt zwischen dem Mittenabgriff 210 und dem Anschluss 209.
Hierbei sei angemerkt, dass es sich bei dem elektronischen Schalter um jedweden ansteuerbaren Schalter, z.B. Transistor, Mosfet, IGBT, etc., handeln kann.
Fig.3 zeigt ein weiteres Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Flyback-Wandlers . Die Schaltung gemäß Fig.3 weist zwei Zellen Zl, Z2 auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der positive Anschluss der Zelle Z2 ist mit einem Anschluss Z2p, der negative Anschluss der Zelle Zl ist mit einem Anschluss ZIm und ein Mittenabgriff zwischen den Zellen Zl, Z2 ist mit einem Anschluss Zmid verbunden.
Der Anschluss Z2p ist über eine Induktivität L2 mit der Kathode einer Diode D2 verbunden. Die Anode der Diode D2 ist mit dem Anschluss Zmid und mit der Kathode einer Diode Dl verbunden. Die Anode der Diode Dl ist über eine Induktivität Ll mit dem Anschluss ZIm verbunden. Die Induktivität Ll und die Induktivität L2 sind miteinander gekoppelt. Um eine Vergleichmässigung der Spannungen oder Ladungen in den angeschlossenen beiden Zellen zu erreichen, kann besonders vorteilhaft das Windungsverhältnis in dieser gekoppelten Induktivität 1:1 betragen, d.h. die Induktivitäten Ll und L2 für sich genommen sind jeweils von gleicher Windungszahl und haben damit (andere Toleranzen insbesondere solche des Kerns vernachlässigt) den gleichen Induktivitätswert .
Parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2 und parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl vorgesehen. Beide elektronischen Schalter Sl, S2 sind mittels einer Ansteuereinheit (nicht dargestellt) (de) aktivierbar.
Fig.4 zeigt ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk- Wandlers .
Die Schaltung gemäß Fig.4 weist zwei Zellen Zl, Z2 auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der positive Anschluss der Zelle Z2 ist mit einem Anschluss Z2p, der negative Anschluss der Zelle Zl ist mit einem Anschluss ZIm und ein Mittenabgriff zwischen den Zellen Zl, Z2 ist mit einem Anschluss Zmid verbunden.
Analog zum oben beschriebenen synchronen Flyback-Wandler haben auch hier die beiden Induktivitäten Ll und L2 in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform jeweils einen (im wesentlich) gleichen Induktivitätswert.
Der Anschluss Z2p ist über eine Induktivität L2 mit der Kathode einer Diode D2 verbunden. Die Anode der Diode D2 ist mit dem Anschluss Zmid und mit der Kathode einer Diode Dl verbunden. Die Anode der Diode Dl ist über eine Induktivität Ll mit dem Anschluss ZIm verbunden.
Parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2 und parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl vorgesehen. Beide elektronischen Schalter Sl, S2 sind mittels einer Ansteuereinheit (nicht dargestellt) (de) aktivierbar.
Zur Energieübertragung zwischen den beiden Zellen Zl und Z2 ist zwischen der Kathode der Diode D2 und der Anode der Diode Dl der für einen Cuk-Wandler typische Kondensator C_cuk geschaltet. Sein Wert ist vorzugsweise so bemessen, dass die sich aus ihm und der Summe der beiden Werte der Induktivitäten Ll und L2 ergebende Resonanzfrequenz deutlich unterhalb der Taktfrequenz liegt, mit der die beiden elektronischen Schalter Sl und S2 ansteuerbar sind.
Im Gegensatz zu dem Wert für den Kondensator C_cuk aus
Fig.4 ist der Wert eines Kondensators C cuk gemäß Fig.5 so zu bemessen, dass die sich aus ihm und der Streuinduktivität zwischen den Induktivitäten Ll und L2 ergebende Resonanzfrequenz deutlich unterhalb der Taktfrequenz liegt, mit der die beiden elektronischen Schalter Sl und S2 ansteuerbar sind. Fig.5 zeigt ein Schaltungsbeispiel zum Ausgleich der Energie zwischen zwei Zellen mittels eines synchronen Cuk- Wandlers mit gekoppelten Induktivitäten.
Die Schaltung gemäß Fig.5 basiert auf der in Fig.4 gezeigten Schaltung, nur sind in Fig.5 die Induktivität Ll und die Induktivität L2 miteinander gekoppelt.
Vorzugsweise können die dargestellten Schaltungstopologien (Halbbrücke, Flyback-Wandler, Cuk-Wandler mit gekoppelten
Induktivitäten, Cuk-Wandler ohne gekoppelte Induktivitäten) mit einem konstanten Duty-Cycle angesteuert werden. Dies bedeutet, dass die elektronischen Schalter abwechselnd für eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert werden. Beispielhaft können die elektronischen Schalter wechselseitig aktiv sein (50%/50%-Duty-Cycle) .
Hierbei sei angemerkt, dass auch andere Schaltverhältnisse einstellbar sind und insbesondere ein symmetrischer oder ein asymmetrischer Duty-Cycle realisiert sein kann.
Insbesondere kann bei unterschiedlich dimensionierten Zellen ein asymmetrischer Duty-Cycle vorteilhaft sein.
In allen bisher genannten Ansteuerverfahren wird die weiter oben schon beschriebene Taktfrequenz durch die
Periodendauer bestimmt, die zwischen einem erstem und einem erneuten Aktivieren des ersten elektronischen Schalters nach genau einer zwischenzeitlicher Deaktivierung verstreicht. Besagte Taktfrequenz liegt in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform oberhalb der menschlichen
Hörschwelle und zwecks besserer Einhaltung der Grenzwerte für die Funkstörung unterhalb von 5OkHz.
Beim Ansteuerverfahren "Duty-Cycle" ist besagte Periodendauer annähernd vollständig von Aktivierungsphasen des l.(, 3., 5., ...) elektronischen Schalters (bei gleichzeitiger Deaktivierung des 2.(, 4., 6., ...) elektronischen Schalters) und von Aktivierungsphasen des 2.(, 4., 6., ...) elektronischen Schalters (bei gleichzeitiger Deaktivierung des l.(, 3., 5., ...) elektronischen Schalters) ausgefüllt.
Zur Minimierung von Umschaltverlusten in den einzelnen elektronischen Schaltern kann es vorteilhaft sein, zwischen jede einzelne Aktivierungsphase eine sogenannte Umschwingphase einzufügen, in der kein einziger der vorhandenen elektronischen Schalter aktiviert ist.
Hierdurch kann ein sogenanntes "Zero Voltage Switching" erreicht werden, bei dem der/die folgende (n) Schalter erst dann aktiviert werden, wenn die Spannung über ihm/ihnen zu Null abgeschwungen ist, was insbesondere bei kleinen Ladungsasymmetrien leicht erreichbar ist. Daraus ergeben sich pro Periode zwei Aktivierungsphasen und zwei Umschwingphasen, deren Gesamtdauer beispielsweise 10% der Periodendauer nicht überschreitet.
Ein "50%-50%-Duty-Cycle" oder ein "Symmetrischer Duty- Cycle" bedeutet insbesondere, dass beide einzelnen Aktivierungsphasen einer Periode durchaus <50% der Periodendauer ausmachen können, allerdings die beiden Aktivierungsphasen gleiche Zeitdauer aufweisen. Ein "Asymmetrischer Duty-Cycle" hingegen zeigt unterschiedlich lange Aktivierungsphasen an.
Bei allen hier vorgestellten Ausführungsformen sowie bei allen weiteren davon ableitbaren Wandlerformen ist daneben auch ein Ansteuerverfahren nach dem PWM-Prinzip möglich: Die oben beschriebenen Umschwingphasen werden verlängert, gleichmäßig oder auch ungleichmäßig, und die Aktivierungsphasen werden entsprechend verkürzt.
Schließlich kann sich unabhängig vom gewählten
Ansteuerverfahren die Taktfrequenz kontinuierlich oder sprunghaft beispielsweise in dem Frequenzband ändern, welches weiter oben bereits als vorteilhaft genannt ist.
Hierbei ist es von Vorteil, dass die Ladungs- und/oder Spannungszustände von zwei oder auch mehr Zellen mit minimalen Verlusten ausgeglichen werden können. Der hier vorgeschlagene Ansatz ist skalierbar für eine beliebige Zellenzahl. Bei mehr als zwei Wandlern wechseln sich die einzelnen Wandler bzw. Halbbrücken in der Ansteuerung ab. Alternativ kann ein hiervon unterschiedliches
Ansteuerverfahren gewählt werden, wobei wechselseitig immer jeder zweite Schalter aktiviert wird.
Besonders vorteilhaft kann der hier vorgeschlagene Ansatz in akkubetriebenen LED-Beleuchtungssystemen eingesetzt werden, die mit zwei (oder mehreren) Bleiakkuzellen versorgt werden.
Im Falle einer Ansteuerung der Schaltungstopologien mit einem konstanten Duty-Cycle von 50% ergibt sich ein mittlerer Ausgleichsstrom zu
j _ 1 U CeU1 — U CeU2
2 RL + R ■,dsON
wobei RL einen Ersatzwiderstand der zu ihm in Serie angeordneten Induktivität und RdsON einen Restwiderstand eines aktivierten elektronischen Schalters, z.B. eines MOSFET-Transistors, bezeichnen.
Ein Strom-Ripple lässt sich durch eine entsprechend Wahl der Induktivitäten einstellen. Insbesondere können Duty- Cyles nahe 50% eingesetzt werden. Dies erlaubt eine vereinfachte gegenläufige Ansteuerung beider Schalter. Alternativ kann über zwei Widerstände ein unabhängiger Spannungssollwert generiert werden und ein Soll-Istwert- Vergleich den Duty-Cycle der Ansteuerung nachregeln.
Für vielzellige Systeme lässt sich eine Ansteuerung für n Zellen mit n Sollwerten ableiten, die anders als bei der einfachen Kaskadierung, für n Zellen nicht n-1 Halbbrücken, sondern nur n/2 Halbbrücken erfordert.
Eine andere Art der Kaskadierung mit insgesamt auch nur n/2 Halbbrücken, also mit n Schaltern für n Zellen, ergibt sich, wenn jeweils zwischen direkt benachbarten Halbbrücken ein Flyback-Wandler, ein Cuk-Wandler oder ein Cuk-Wandler mit gekoppelten Induktivitäten eingefügt wird.
In diesem Fall reicht zum Energieausgleich zwischen n>2 Zellen mit beliebiger Energieflussrichtung der 50%-50%- Duty-Cycle. Die Schalter werden in diesem Fall nach einem Zebramuster abwechselnd angesteuert, d.h. zuerst sind die ungeradzahligen Schalter Sl, S3, S5, ... aktiv, dann die geradzahligen Schalter S2, S4, S6, ...
Hierbei ist bevorzugt jeder zweite Wandler in Form einer Schaltstufe als eine Halbbrücke ausgeführt. Zusätzlich können die Schalter von den jeweils angrenzenden Wandlern oder Schaltstufen gemeinsam genutzt werden, d.h. jeder Wandler teilt sich einen seiner Schalter mit dem jeweils in Richtung des Schalters benachbarten Wandler.
Vorteilhaft können ein "umgreifender" Cuk-Wandler oder ein "umgreifender" Flyback-Wandler eingesetzt werden, wobei ein oberstes UND ein unterstes betrachtetes Spannungsniveau (mit einem Unterschied von mehr als zwei Zellen) jeweils mit einer Induktivität besetzt sind, sofern diese beiden Induktivitäten miteinander gekoppelt sind und ggf. die beiden (bewegten) Spannungsniveaus über einen Cuk- Kondensator zwischen dem obersten und dem untersten Spannungsniveau verbunden sind.
Fig.6 zeigt eine Schaltung mit drei in Reihe geschalteten Zellen Zl, Z2, Z3, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl, C2, C3 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z3 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der
Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl und die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist über eine Induktivität Ll mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2 und parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3 vorgesehen.
Die Anode der Diode D3 ist weiterhin über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten Kl verbunden. Weiterhin ist entweder parallel zu den Dioden Dl und D2 ein Kondensator CkI vorgesehen (Cuk-Kondensator) oder die Induktivitäten Ll und L2 sind miteinander gekoppelt. Es ist auch möglich, dass sowohl der Kondensator CkI als auch die Kopplung zwischen den Induktivitäten Ll und L2 vorgesehen sind.
Somit zeigt Fig.6 eine Halbbrücke 602 umfassend die Schalter S2 und S3 und einen Cuk-Wandler 601 mit den Schaltern Sl und S2. Falls der Kondensator CkI entfällt, handelt es sich hierbei um einen Flyback-Wandler 601. Vorzugsweise werden die Schalter Sl und S3 synchron angesteuert und der Schalter S2 wird dann angesteuert, wenn die Schalter Sl und S3 inaktiv sind.
Fig.6 ermöglicht einen Energieausgleich zwischen drei Zellen Zl bis Z3 bei vier Spannungsniveaus.
Fig.7 zeigt eine Schaltung zum Energieausgleich zwischen vier Zellen Zl bis Z4, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl bis C4 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z4 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2 und die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und Z4 wird als ein Knoten K3 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3 und parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4 vorgesehen.
Die Anode der Diode D4 ist weiterhin über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist über eine Induktivität Ll mit dem Knoten Kl verbunden. Weiterhin ist entweder parallel zu den Dioden D2 und D3 ein Kondensator CkI vorgesehen (Cuk-Kondensator) oder die Induktivitäten Ll und L2 sind miteinander gekoppelt. Es ist auch möglich, dass sowohl der Kondensator CkI als auch die Kopplung zwischen den Induktivitäten Ll und L2 vorgesehen sind.
Somit zeigt Fig.7 eine Halbbrücke 701 umfassend die Schalter Sl und S2, eine Halbbrücke 702 umfassend die Schalter S3 und S4 sowie einen Cuk-Wandler 703 mit den Schaltern S2 und S3. Falls der Kondensator CkI entfällt, handelt es sich hierbei um einen Flyback-Wandler 703.
Vorzugsweise werden die Schalter Sl und S3 synchron angesteuert und die Schalter S2 und S4 werden dann synchron angesteuert, wenn die Schalter Sl und S3 inaktiv sind.
Fig.8 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen vier Zellen Zl bis Z4, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl bis C4 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z4 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2 und die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und Z4 wird als ein Knoten K3 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L3 mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist über eine Induktivität Ll mit dem Anschluss Neg verbunden. Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3 und parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4 vorgesehen.
Die Anode der Diode D4 ist weiterhin mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten Kl verbunden. Weiterhin sind optional parallel zu den Dioden Dl und D2 ein Kondensator CkI, parallel zu den Dioden D3 und D4 ein Kondensator Ck2 und parallel zu den Dioden Dl bis D4 ein Kondensator Ck3 vorgesehen. Optional sind die
Induktivitäten Ll, L2 und L3 miteinander gekoppelt.
Somit zeigt Fig.8 eine Halbbrücke 801 umfassend die Schalter S2 und S3, sowie einen Cuk-Wandler 802 mit den Schaltern Sl und S2 und einen Cuk-Wandler 803 mit den Schaltern S3 und S4. Ferner ist ein umgreifender Cuk- Wandler 804 gezeigt mit den Schaltern Sl und S4. Entfällt der jeweilige Cuk-Kondensator, wird aus dem Cuk-Wandler jeweils ein Flyback-Wandler .
Fig.9 zeigt eine Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Zl bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z6 ist mit dem
Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist über eine Induktivität Ll mit dem Knoten Kl verbunden .
Weiterhin ist parallel zu den Dioden D4 und D5 ein
Kondensator CkI vorgesehen. Die Induktivitäten Ll und L2 sind miteinander gekoppelt.
Somit zeigt Fig.9 eine Halbbrücke 901 umfassend die Schalter Sl und S2, eine Halbbrücke 902 mit den Schaltern S3 und S4 sowie eine Halbbrücke 903 mit den Schaltern S5 und S6. Weiterhin zeigt Fig.9 einen Flyback-Wandler 904 mit den Schaltern S2 und S3 sowie einen Cuk-Wandler 905 mit den Schaltern S4 und S5.
Fig.10 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Zl bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen. Die Anode der Diode D6 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist über eine Induktivität Ll mit dem Knoten Kl verbunden .
Weiterhin sind optional parallel zu den Dioden D2 und D3 ein Kondensator CkI und parallel zu den Dioden D4 und D5 ein Kondensator Ck2 angeordnet. Die Induktivitäten Ll, L2 und L3 sind optional miteinander gekoppelt.
Somit zeigt Fig.10 eine Halbbrücke umfassend die Schalter Sl und S2, eine Halbbrücke mit den Schaltern S3 und S4 sowie eine Halbbrücke mit den Schaltern S5 und S6. Weiterhin zeigt Fig.10 zwei umgreifende Cuk-Wandler mit den Schaltern S2 und S3 bzw. S4 und S5, die optional (ohne die Kondensatoren CkI und Ck2) als Flyback-Wandler ausgeführt sein können.
Fig.11 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Zl bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl, die
Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet. Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L4 mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 und verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist über eine Induktivität Ll mit dem Anschluss Neg verbunden.
Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten Kl verbunden.
Die Induktivitäten L2 und L3 sind miteinander gekoppelt. Parallel zu den Dioden Dl und D2 ist ein Kondensator Ck3 und parallel zu den Dioden D5 und D6 ist ein Kondensator Ck4 angeordnet.
Weiterhin sind optional parallel zu den Dioden D3 und D4 ein Kondensator CkI und parallel zu den Dioden Dl bis D6 ein Kondensator Ck2 angeordnet. Die Induktivitäten Ll und L4 sind optional miteinander gekoppelt. Somit zeigt Fig.11 eine Halbbrücke umfassend die Schalter S2 und S3, eine Halbbrücke mit den Schaltern S4 und S5 sowie einen Cuk-Wandler mit Schaltern Sl und S2 und einen Cuk-Wandler mit Schaltern S5 und S6. Weiterhin ist ein Flyback-Wandler mit den Schaltern S3 und S4 vorhanden.
Anhand des optionalen Kondensators Ck2 kann ein umgreifender Cuk-Wandler bzw. anhand der Verbindung der Induktivitäten Ll und L4 kann ein umgreifender Flyback- Wandler (ohne Kondensator Ck2) realisiert werden.
Fig.12 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Zl bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl, die
Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L4 mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist über eine Induktivität Ll mit dem Anschluss Neg verbunden . Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten Kl verbunden.
Die Induktivitäten Ll und L2 sind miteinander gekoppelt, auch sind die Induktivitäten L3 und L4 miteinander gekoppelt. Parallel zu den Dioden D3 und D4 ist ein Kondensator CkI angeordnet.
Somit zeigt Fig.12 eine Halbbrücke umfassend die Schalter S2 und S3, eine Halbbrücke mit den Schaltern S4 und S5 sowie einen Cuk-Wandler mit den Schaltern S3 und S4, einen Flyback-Wandler mit den Schaltern Sl und S2 sowie einen Flyback-Wandler mit den Schaltern S5 und S6.
Fig.13 zeigt eine alternative Schaltung zum Energieausgleich zwischen sechs Zellen Zl bis Z6, wobei parallel zu jeder Zelle ein Kondensator Cl bis C6 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung der Zellen Zl bis Z6 ist mit dem Anschluss Pos (positiver Pol) und mit dem Anschluss Neg (negativer Pol) verbunden. Die Verbindung zwischen der Zelle Zl und der Zelle Z2 wird als ein Knoten Kl, die Verbindung zwischen der Zelle Z2 und der Zelle Z3 wird als ein Knoten K2, die Verbindung zwischen der Zelle Z3 und der Zelle Z4 wird als ein Knoten K3, die Verbindung zwischen der Zelle Z4 und der Zelle Z5 wird als ein Knoten K4 und die Verbindung zwischen der Zelle Z5 und der Zelle Z6 wird als ein Knoten K5 bezeichnet.
Der Anschluss Pos ist über eine Induktivität L4 mit der Kathode einer Diode D6 verbunden, die Anode der Diode D6 ist mit der Kathode einer Diode D5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist mit der Kathode einer Diode D4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Diode D2 verbunden, die Anode der Diode D2 ist mit der Kathode einer Diode Dl verbunden und die Anode der Diode Dl ist über eine Induktivität Ll mit dem Anschluss Neg verbunden .
Parallel zu der Diode Dl ist ein elektronischer Schalter Sl, parallel zu der Diode D2 ist ein elektronischer Schalter S2, parallel zu der Diode D3 ist ein elektronischer Schalter S3, parallel zu der Diode D4 ist ein elektronischer Schalter S4, parallel zu der Diode D5 ist ein elektronischer Schalter S5 und parallel zu der Diode D6 ist ein elektronischer Schalter S6 vorgesehen.
Die Anode der Diode D6 ist mit dem Knoten K5 verbunden, die Anode der Diode D5 ist über eine Induktivität L3 mit dem Knoten K4 verbunden, die Anode der Diode D4 ist mit dem Knoten K3 verbunden, die Anode der Diode D3 ist über eine Induktivität L2 mit dem Knoten K2 verbunden und die Anode der Diode D2 ist mit dem Knoten Kl verbunden.
Die Induktivitäten Ll und L2 sind miteinander gekoppelt, auch sind die Induktivitäten L3 und L4 miteinander gekoppelt. Parallel zu den Dioden Dl bis D6 ist ein Kondensator CkI angeordnet. Somit zeigt Fig.13 eine Halbbrücke umfassend die Schalter S2 und S3, eine Halbbrücke mit den Schaltern S4 und S5 sowie einen umgreifenden Cuk-Wandler mit den Schaltern Sl und S6, einen Flyback-Wandler mit den Schaltern Sl und S2 sowie einen Flyback-Wandler mit den Schaltern S5 und S6.
Im Beispiel gemäß Fig.13 sind die Zellen Zl und Z6 mittels des umgreifenden Cuk-Wandlers balanciert, die Weitergabe der Spannungen erfolgt über die zwei voneinander unabhängigen Flyback-Wandler an die beiden Halbbrücken. So werden die beiden innenliegenden Schalter S3 und S4 nur von jeweils einem Wandler genutzt. Sind die Ränder mit Induktivitäten besetzt und zugleich alle am Energieausgleich beteiligten Induktivitäten gleichsinnig gemeinsam gekoppelt, ergibt sich diese umgreifende Topologie .
Eine gleichsinnige gemeinsame Kopplung der Induktivitäten ist eine vorteilhafte Ausgestaltung für eine Anzahl von mehr als vier Zellen (n > 4) .
Die Kopplung der Induktivitäten ist optional.
Die Ausgleichschaltung muss nicht permanent betrieben werden. Beispielsweise ist es möglich, Energie zu sparen, indem Hysteresen vorgesehen sind, um einen Energieausgleich nur bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts (z.B. eines Ungleichgewichts) zu aktivieren.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Energieausgleich zwischen mindestens zwei Zellen,
- bei der die mindestens zwei Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind;
- bei der für je zwei Zellen ein Wandler vorgesehen ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Zelle mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: - Einen Energiespeicher;
- einen Akkumulator;
- eine Akkumulatorzelle;
- einen Kondensator;
- eine Solarzelle.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der parallel zu der Zelle ein Kondensator angeordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler ein Wandler mit einer Hochsetzfunktionalität und mit einer
TiefSetzfunktionalität, insbesondere ein symmetrischer Wandler, ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei der der Wandler zwei elektronische Schalter parallel zu den Zellen aufweist, wobei parallel zu jedem Schalter eine Diode angeordnet ist, deren Kathode in Richtung des positiven Pols der Schaltungsanordnung ausgerichtet ist, - bei der parallel zu den beiden Schaltern ein
Kondensator und/oder in einem Zweig in Richtung der Außenpole der Zellen je eine Induktivität in Reihe mit den beiden elektronischen Schaltern, wobei die Induktivitäten optional gekoppelt sind, angeordnet ist oder
- bei der in einem Zweig in Richtung eines Mittenabgriffs der Zellen eine Induktivität angeordnet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der der elektronische Schalter mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:
- Einen elektronischen Leistungsschalter; - einen Transistor;
- einen Mosfet;
- einen IGBT.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die elektronischen Schalter des Wandlers abwechselnd für eine vorgegebene Zeitdauer, insbesondere mit einem Duty-Cycle von im Wesentlichen 50%, ansteuerbar sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die elektronischen Schalter mit einem asymmetrischen Duty-Cycle ansteuerbar sind.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler eine der folgenden Komponenten umfasst:
- Eine Halbbrückenschaltung; - einen Flyback-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
- einen Cuk-Wandler, insbesondere mit einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter;
- einen Cuk-Wandler, insbesondere mit gekoppelten Induktivitäten und/oder einem aktiven synchron betreibbaren Gleichrichter.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Wandler vorgesehen sind, wobei zumindest teilweise eine Zelle von mehreren Wandlern ansteuerbar ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Wandler teilweise überlappend und/oder umgreifend für die mindestens zwei Zellen angeordnet sind.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, bei der die mehreren Wandler abwechselnd ansteuerbar sind.
13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Energieausgleich zwischen den mindestens zwei Zellen zeitweise deaktivierbar ist.
14. Leuchtsystem umfassend
- mindestens ein Leuchtmittel oder mindestens eine Lampe, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode, - die Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung des mindestens einen Leuchtmittels oder der mindestens einen Lampe mit elektrischer Energie.
15. Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine
Ansteuereinheit, anhand derer der Wandler aktiviert bzw. deaktiviert wird.
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