WO2012000007A2 - Batteriemodul - Google Patents

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Werner Roessler
Andreas Pechlaner
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Osterreichisches Forschungs- und Pruefzentrum Arsenal GmbH
Infineon Technologies AG
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Osterreichisches Forschungs- und Pruefzentrum Arsenal GmbH
Infineon Technologies AG
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    • Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles

Definitions

  • the invention relates to a battery module according to the preamble of claim 1.
  • Battery modules according to the invention are used and manufactured in particular in the field of non-network power supply.
  • the battery modules each comprise an energy store.
  • the battery modules are connected in series and are supplied by a charging device with a predetermined current.
  • a charging device with a predetermined current.
  • an arrangement with a number of energy stores is proposed in the prior art, wherein the output voltage of each of the energy storage is guided to a control unit for controlling a converter. If a predetermined maximum voltage, maximum charge or maximum temperature for an energy store is exceeded, the control unit activates a converter whose primary side is connected in parallel to the energy store. One of the two terminals of the secondary side of the converter is connected to the system ground. The respective other terminal of the secondary side of the converter is connected via a diode to the respective other terminal of the charging device and the other pole of the energy storage device.
  • a disadvantage of the prior art is that in order to dissipate energy from the individual energy stores, two lines each to one of the two ends of the series-connected battery modules are required. There is a large number of cables and labor required to connect them. Especially in the automotive sector, the management of cable harnesses is complicated and cost-intensive. In addition, the cables have a high mechanical stability and high voltage resistance. In mass production, the use of a variety of cables is costly.
  • the invention relates to a battery module comprising an energy store with a positive and a negative terminal.
  • the battery module has a first and a second terminal, first and second equalization terminals, a boost converter having first and second converter outputs, and a decoupling switch.
  • the energy store is connected with its positive terminal to the first terminal and with its negative terminal to the second terminal.
  • the first converter output is connected to the first balancing port and the second converter output is connected to the second balancing port, wherein the converter is configured to extract energy from the energy storage and provide it in the form of power at its converter outputs.
  • the decoupling switch has its first connection connected to the first compensation connection and its second connection connected to the second compensation connection.
  • the converter is designed as a flyback converter. This allows a particularly efficient energy transfer and a simple control and controllability of the converter.
  • Another aspect of the invention provides that the converter is connected to the energy storage. This simplifies the removal of energy from the energy storage to the other battery modules.
  • the converter has two converter inputs, one of which is connected to the positive terminal, the other to the negative terminal of the energy storage. This allows a particularly simple transmission of energy stored in the energy storage to the other battery modules.
  • the converter has an output switch which is connected with one of its terminals to one of the outputs of the converter. This allows a configuration of a blocking effect, which is such that energy transfer is only possible from the energy store to the outputs of the converter, but not in the opposite direction.
  • the output switch is formed by a controlled electronic switch, which is synchronized with the converter. This embodiment enables a switchable energy transfer from the energy store to the outputs of the converter.
  • the output switch is formed by an output diode, wherein the cathode of the output diode is connected to the first equalizing terminal or the anode of the output diode is connected to the second equalizing terminal.
  • the decoupling switch is formed by a diode whose cathode is preferably connected to the first compensation terminal.
  • the decoupling switch is formed by an electrically controllable switch which is synchronized with the converter. By this measure, the energy recovery can be controlled easily.
  • the converter is controlled by a control unit which monitors the operating state of the battery. This allows the implementation of different charging and discharging.
  • control unit has a detector for detecting the voltage applied to the energy store, the present charge or the temperature of the energy store and a threshold value switch for activating the Transducer when exceeding a predetermined threshold voltage, threshold charge or threshold temperature has.
  • the invention relates to an arrangement comprising a plurality of series-connected battery modules according to the invention. It is provided that the first terminal of the battery modules is connected to the second terminal of the respective subsequent battery module and the first equalizing terminal of the battery modules is connected to the second equalizing terminal of each subsequent battery module, wherein the first and second terminals and equalizing terminals at the end of the series circuit lying battery modules make connections of the arrangement.
  • the cable guide is extremely simple and the battery modules are connected by simple cable connections to each other. Two adjacent battery modules only need two connection cables whose length corresponds to the decency between the battery module. Alternatively, the battery modules can also be plugged into each other or clamped together. This results in the advantage that due to the small number of cables used harnesses can be omitted and the total weight or the total mass of the arrangement significantly reduced and the costs can be drastically reduced due to the reduced material requirements.
  • the first terminal located at the end of the series connection and the first compensating terminal located at the end of the series circuit are connected to one another, optionally via an electrically conductive first connecting element, and the second terminal located at the end of the series circuit and that at the end of the series circuit lying second compensating connection with each other, optionally via an electrically conductive second connecting element, are connected.
  • This allows a particularly effective return of the energy emitted by the energy storage devices to the entirety of the battery modules connected in series.
  • control units of the battery modules are connected to each other, optionally via a bus.
  • the individual control units can exchange their charge state and, if necessary, transmit it to an external charge control unit.
  • a charge level indicator to the bus, which indicates the charge level of each battery during a charge or discharge.
  • control units are connected to a charge control unit, wherein the charge control unit comprises:
  • Means for performing a charge equalization method wherein based on the determined temperature, voltage and charge values, the transducers are activated and optionally activated.
  • the invention can be used as a starter battery or energy storage in an automobile.
  • FIG. 1 shows a circuit according to the invention with a charging unit.
  • Fig. 2 shows a circuit according to the prior art.
  • FIG. 3 shows the external wiring of the circuit of FIG. 1.
  • FIG. 4 shows the external wiring of the circuit of FIG. 2.
  • the circuit comprises two battery modules 2a, 2b, which are connected to a charging voltage source 1.
  • Each of the battery modules 2a, 2b comprises an energy store 3, for example in the form of a rechargeable battery, a battery or a capacitor, etc.
  • Each of the battery modules 2a, 2b has a first terminal A and a second terminal B.
  • each of the battery modules 2 a, 2 b has a first compensation connection C and a second compensation connection D.
  • the energy store 3 is connected to its positive terminal 31 connected to the first terminal A and connected to its negative terminal 32 to the second terminal B.
  • Each of the ends of the series connection of the energy store 3 is connected to one of the poles of the charging voltage source 1 or to a respective terminal of a consumer.
  • the charging voltage source 1 sets the voltage and polarity required for charging the battery modules 2a, 2b, or impresses a predetermined charging current.
  • a discharge current sets.
  • the energy storage 3 are shown in the following embodiment as a bipolar energy storage 3.
  • Each battery module 2a, 2b further comprises an up-converter 4, which may be designed, for example, as a flyback converter.
  • an up-converter 4 On the secondary side of the converter 4, a first converter output 4a and a second converter output 4b are provided.
  • the first converter output 4 a is connected to the first compensation port C
  • the second converter output 4 b is connected to the second compensation port D.
  • the converter 4 is designed to take energy from the energy store 3 and to provide it in the form of current at its converter outputs 4a, 4b.
  • the converter 4 is connected to an energy store 3, wherein the converter 4 has two converter inputs 4x, 4y, one of which is connected to the positive terminal 31 of the energy store 3, the other to its negative terminal 32.
  • the converter 4 further has a control input via which the transmission behavior of the converter 4 can be set.
  • the converter 4 comprises a control switch 6 connected to the control input, which causes an interruption of the primary side of the converter 4. If the control switch, for example cyclically controlled, energy is transferred from the energy storage 3 to the outputs of the converter.
  • Each battery module 2a, 2b also has a decoupling switch 8.
  • the decoupling switch 8 is connected with its first terminal to the first compensation terminal C and connected with its second terminal to the second compensation terminal D.
  • the decoupling switch 8 is advantageously formed by a diode whose cathode is preferably connected to the first compensation terminal C. Alternatively, however, it can also be provided that the decoupling switch 8 is formed by an electrically controllable switch, which is synchronized with the transducer 4.
  • Transducer 4 has an output switch 7. This is connected with one of its connections to one of the outputs 4a of the converter 4.
  • the output switch 7 is through an output diode is formed whose cathode is connected to the first equalization terminal C.
  • the anode of the balancing diode is connected to the second output terminal D.
  • the output switch 7 may also be formed by an electronic switch which is synchronized with the converter.
  • the respective other terminal of the output switch 7 is electrically conductively connected either to the first compensation terminal C or to the second compensation terminal D.
  • each battery module 2a, 2b has a control unit 5, which has two measuring lines, not shown, which are each connected to one of the electrodes of the energy storage device 3 of the respective battery module 2a, 2b.
  • the control unit may be connected or connected to a temperature sensor arranged on the energy store of the respective battery module 2 a, 2 b or to a current measuring device connected in series with the energy store 3.
  • the voltage applied between the two electrodes of the energy accumulator 3 is picked up by the control unit 5 via these inputs and can be used to control the charging process.
  • the control unit 5 is connected via a control output 53 to the control input of the converter 4 and thus controls the switching behavior of the control switch 6 and thus the energy transfer between the energy storage 3 and the converter. 4
  • the battery modules 2a, 2b are connected in series.
  • the first terminal A of the battery modules is connected to the second terminal B of each subsequent battery module.
  • the first equalization terminal C of the battery modules is connected to the second equalization terminal D of the respective subsequent battery module.
  • the first and second terminals A, B and equalizing terminals C, D of the battery modules located at the end of the series connection each form the terminals of the arrangement.
  • the first terminal A located at the end of the series connection and the first compensating terminal C located at the end of the series connection are connected to one another via an electrically conductive connecting element.
  • the second terminal B lying at the end of the series connection and the second compensating terminal D lying at the end of the series connection are connected to one another via a further conductive second connecting element.
  • All control units 5 of the battery modules 2a, 2b communicate with one another and with an external charge control unit 20 via a data line 21, in particular a bus, in data connection.
  • the charge control unit 20 advantageously comprises the following components: Means for communication with the individual control units, in particular via a bus. These may be different drivers and protocol devices for using different bus protocols.
  • Means for detecting and evaluating the determined with the individual control units 5 temperature, voltage and charge values are receiver units that use the signals transmitted via the bus to determine and make available the respective temperature, voltage and charge values of the individual battery modules.
  • Means for controlling the individual control units and for controlling the converter are, in particular, transmission units which output control signals to the bus, which are received by the control units 5.
  • the control units 5 accordingly control their transducers 4.
  • Means for performing a charge equalization method wherein based on the determined temperature, voltage and charge values, the transducers are activated and optionally activated.
  • Such charging methods are state of the art and are familiar to the person skilled in the art, for example from Dynamic Equalization Techniques for Series Battery Stacks - Telecommunications Energy Conference, INTELEC Conf. Proceedings, pp. 514-521, 1996.
  • this charging control unit 20 can also be dispensed with and the charge control can take place decentrally via the individual control units 5.
  • the circuit according to the prior art shown in Fig. 2 will be described with reference to the differences from the embodiment of the invention shown in Fig. 1.
  • the circuit comprises a charging voltage source 1 and a number of battery modules 2a ', 2b', whose energy storage devices 3 are connected in series.
  • FIG. 4 shows a modular circuit analogous to FIG. 3. You can see that the cabling of the individual modules is much more complex and significantly more cables are needed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul sowie eine Anordnung umfassend eine Vielzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen, umfassend einen Energiespeicher (3) mit einem positiven und einem negativen Anschluss (31, 32), einen ersten und einen zweiten Anschluss (A, B), einen ersten und einen zweiten Ausgleichsanschluss (C, D), einen Aufwärtswandler (4) mit einem ersten und einem zweiten Wandlerausgang (4a, 4b) und einen Entkopplungsschalter (8), wobei der Energiespeicher (3) mit seinem positiven Anschluss (31 ) mit dem ersten Anschluss (A) und mit seinem negativen Anschluss mit dem zweiten Anschluss (B) verbünde ist, wobei der erste Wandlerausgang (4a) mit dem ersten Ausgleichsanschluss (C) verbunden ist und der zweite Wandlerausgang (4b) mit dem zweiten Ausgleichsanschluss (D) verbunden ist, wobei der Wandler (4) dazu ausgebildet ist, dem Energiespeicher (3) Energie zu entnehmen und in Form von Strom an seinen Wandlerausgängen (4a, 4b) bereitzustellen, und wobei der Entkopplungsschalter (8) mit seinem ersten Anschluss mit dem ersten Ausgleichsanschluss (C) verbunden ist und mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Ausgleichsanschluss (D) verbunden ist (Fig. 1).

Description

Batteriemodul
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäße Batteriemodule werden insbesondere im Bereich der nicht netzgebundenen Energieversorgung gewerblich angewendet und hergestellt.
Gemäß dem Stand der Technik sind Anordnungen von Batteriemodulen bekannt, wobei die Batteriemodule jeweils einen Energiespeicher umfassen. Die Batteriemodule sind in Reihe geschaltet und werden von einer Ladevorrichtung mit einem vorgegebenen Strom beaufschlagt. Im Zuge des Ladevorgangs besteht das Problem, dass die einzelnen Energiespeicher auf Grund der unterschiedlichen Alterungseigenschaften unterschiedlich geladen sind und, bis die erforderliche Ladespannung der Gesamtanordnung erreicht ist, unerwünschte Überladungen einzelner Energiespeicher auftreten können.
Zu diesem Zweck wird im Stand der Technik eine Anordnung mit einer Anzahl von Energiespeichern vorgeschlagen, wobei die Ausgangsspannung jedes der Energiespeicher zu einer Steuereinheit zur Ansteuerung eines Wandlers geführt ist. Ist eine vorgegebene Höchstspannung, Höchstladung oder Maximaltemperatur für einen Energiespeicher überschritten, aktiviert die Steuereinheit einen Wandler, dessen Primärseite parallel zum Energiespeicher geschaltet ist. Einer der beiden Anschlüsse der Sekundärseite des Wandlers ist mit der Systemmasse verbunden. Der jeweils andere Anschluss der Sekundärseite des Wandlers ist über eine Diode mit dem jeweils anderen Anschluss der Ladevorrichtung und dem anderen Pol des Energiespeichers verbunden.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass zur Energieabfuhr aus den einzelnen Energiespeichern jeweils zwei Leitungen zu jeweils einem der beiden Enden der in Serie geschalteten Batteriemodule erforderlich sind. Es ist eine große Anzahl von Kabeln sowie großer Arbeitsaufwand zu deren Anschluss erforderlich. Insbesondere im Automotive- Bereich ist die Führung von Kabelbäumen aufwendig und kostenintensiv. Zusätzlich weisen die Kabeln eine hohe mechanische Stabilität und Hochspannungsfestigkeit auf. In der Massenfertigung ist die Verwendung einer Vielzahl von Kabeln kostspielig.
Ausgehend vom Stand der Technik stellt sich die objektive Aufgabe, ein leicht zu verkabelndes Batteriemodul zu schaffen, das mit geringer externer Verkabelung auskommt und eine Rückführung der überschüssigen Energie aus den bereits geladenen Batteriemodulen ermöglicht.
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul umfassend einen Energiespeicher mit einem positiven und einem negativen Anschluss. Das Batteriemodul weist einen ersten und einen zweiten Anschluss, einen ersten und einen zweiten Ausgleichsanschluss, einen Aufwärtswandler mit einem ersten und einem zweiten Wandlerausgang und einen Entkopplungsschalter auf. Der Energiespeicher ist mit seinem positiven Anschluss mit dem ersten Anschluss und mit seinem negativen Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbunden. Der erste Wandlerausgang ist mit dem ersten Ausgleichsanschluss verbunden und der zweite Wandlerausgang ist mit dem zweiten Ausgleichsanschluss verbunden, wobei der Wandler dazu ausgebildet ist, dem Energiespeicher Energie zu entnehmen und in Form von Strom an seinen Wandlerausgängen bereitzustellen. Der Entkopplungsschalter ist mit seinem ersten Anschluss mit dem ersten Ausgleichsanschluss verbunden und mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Ausgleichsanschluss verbunden.
Durch diese vorteilhafte Schaltung können zwei benachbarte Batteriemodule direkt miteinander verschaltet werden, sodass lediglich jeweils eine Kabelführung vom ersten und vom letzten der in der Reihe befindlichen Batteriemodule zur Ladespannungsquelle erforderlich ist. Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine beträchtliche Menge benötigter Kabel eingespart und die Verkabelung erheblich erleichtert. Weiters ergibt sich der Vorteil, dass das Gesamtgewicht bzw. die Gesamtmasse der Anordnung erheblich verringert und die Kosten aufgrund des verringerten Materialbedarfs drastisch reduziert werden können.
Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Wandler als Sperrwandler ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Energieübertragung sowie eine einfache Ansteuerung und Steuerbarkeit des Wandlers.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Wandler an den Energiespeicher angeschlossen ist. Dies vereinfacht den Abtransport der Energie vom Energiespeicher an die übrigen Batteriemodule.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Wandler zwei Wandlereingänge aufweist, von denen einer an den positiven Anschluss, der andere an den negativen Anschluss des Energiespeichers angeschlossen ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Übertragung der im Energiespeicher gespeicherten Energie an die übrigen Batteriemodule. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Wandler einen Ausgangsschalter aufweist, der mit einem seiner Anschlüsse an einen der Ausgänge des Wandlers angeschlossen ist. Dies ermöglicht eine Ausgestaltung einer Sperrwirkung, die derart, dass Energieübertragung nur vom Energiespeicher an die Ausgänge des Wandlers möglich ist, jedoch nicht in umgekehrte Richtung.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Ausgangsschalter durch einen gesteuerten elektronischen Schalter gebildet ist, der mit dem Wandler synchronisiert ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine schaltbare Energieübertragung vom Energiespeicher an die Ausgänge des Wandlers.
Bevorzugterweise kann vorgesehen sein, dass der Ausgangsschalter durch eine Ausgangsdiode gebildet ist, wobei die Kathode der Ausgangsdiode an den ersten Ausgleichsanschluss angeschlossen ist oder die Anode der Ausgangsdiode an den zweiten Ausgleichsanschluss angeschlossen ist. Dies ermöglicht eine sehr einfache und dauerhafte Sperrwirkung dergestalt, dass Energie nur vom Energiespeicher an die Ausgänge des Wandlers übertragen werden kann.
Besonders vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Entkopplungsschalter durch eine Diode gebildet ist, deren Kathode vorzugsweise am ersten Ausgleichsanschluss angeschlossen ist. Durch diese besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung wird eine Rückspeisung der einem überladenen Energiespeicher entnommenen Energie einfach und ohne Ansteuerungsaufwand möglich. Alternativ oder in Kombination kann vorgesehen sein, dass der Entkopplungsschalter durch einen elektrisch steuerbaren Schalter ausgebildet ist, der mit dem Wandler synchronisiert ist. Durch diese Maßnahme kann die Energierückspeisung auf einfache Weise gesteuert werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Wandler von einer Steuereinheit gesteuert ist, die den Betriebszustand der Batterie überwacht. Dies ermöglicht die Durchführung von unterschiedlichen Lade- und Entladeverfahren.
Dabei kann weiters vorgesehen sein, dass die Steuereinheit einen Detektor zur Detektion der am Energiespeicher anliegenden Spannung, der vorliegenden Ladung oder der Temperatur des Energiespeichers sowie einen Schwellenwertschalter zum Aktivieren des Wandlers bei Überschreitung einer vorgegebenen Schwellenwertspannung, Schwellenwertladung oder Schwellenwerttemperatur aufweist.
Durch diese Maßnahmen wird eine effektive Steuerung bzw. Regelung des Lade- bzw. Entladeverfahrens ermöglicht.
Weiters betrifft die Erfindung eine Anordnung umfassend eine Vielzahl von in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Batteriemodulen. Dabei ist vorgesehen, dass der erste Anschluss der Batteriemodule an den zweiten Anschluss des jeweils nachfolgenden Batteriemoduls angeschlossen ist und der erste Ausgleichsanschluss der Batteriemodule an den zweiten Ausgleichsanschluss des jeweils nachfolgenden Batteriemoduls angeschlossen ist, wobei die ersten und zweiten Anschlüsse und Ausgleichsanschlüsse der am Ende der Serienschaltung liegenden Batteriemodule Anschlüsse der Anordnung bilden.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Kabelführung äußerst einfach ist und die Batteriemodule durch einfache Kabelverbindungen aneinander angeschlossen werden. Zwei benachbarte Batteriemodule benötigen lediglich zwei Verbindungskabel, deren Länge den Anstand zwischen der Batteriemodul entspricht. Alternativ können die Batteriemodule auch ineinander gesteckt oder aneinander geklemmt werden. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund der geringen Anzahl von verwendeten Kabel Kabelbäume entfallen können und das Gesamtgewicht bzw. die Gesamtmasse der Anordnung erheblich verringert und die Kosten aufgrund des verringerten Materialbedarfs drastisch reduziert werden können.
Besonders vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass der am Ende der Reihenschaltung liegende erste Anschluss und der am Ende der Reihenschaltung liegende erste Ausgleichsanschluss miteinander, gegebenenfalls über ein elektrisch leitendes erstes Verbindungselement, verbunden sind und der am Ende der Reihenschaltung liegende zweite Anschluss und der am Ende der Reihenschaltung liegende zweite Ausgleichsanschluss miteinander, gegebenenfalls über ein elektrisch leitendes zweites Verbindungselement, verbunden sind. Dies ermöglicht eine besonders effektive Rückspeisung der von den Energiespeichern abgegebenen Energie an die Gesamtheit der in der Reihe geschalteten Batteriemodule.
Ein weiterer bevorzugter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheiten der Batteriemodule miteinander, gegebenenfalls über einen Bus, verbunden sind. Hierdurch können die einzelnen Steuereinheiten ihren Ladezustand austauschen und gegebenenfalls an eine externe Laderegeleinheit übermitteln. Es besteht dabei die Möglichkeit, eine Ladestandsanzeige an den Bus anzuschließen, der den Ladestand der einzelnen Batterien während eines Lade- bzw. Entladevorgangs anzeigt.
Schließlich sieht die Erfindung bevorzugterweise vor, dass die Steuereinheiten mit einer Laderegeleinheit verbunden sind, wobei die Laderegeleinheit umfasst:
- Mittel zur Kommunikation mit den einzelnen Steuereinheiten, insbesondere über einen Bus
- Mittel zum Erfassen und Auswerten der mit den einzelnen Steuereinheiten ermittelten Temperatur-, Spannungs- und Ladungswerte
- Mittel zur Ansteuerung der einzelnen Steuereinheiten sowie zur Ansteuerung der Wandler sowie
Mittel zur Durchführung eines Ladungsausgleichsverfahrens, wobei auf Basis der ermittelten Temperatur-, Spannungs- und Ladungswerte die Wandler angesteuert und gegebenenfalls aktiviert werden.
Durch diese bevorzugte Anordnung können unterschiedliche Lade- bzw. Entladeverfahren, wie z.B. beim Balancing-Verfahren, auf einfache Weise durchgeführt werden.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung als Starterbatterie oder Energiespeicher in einem Automobil eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der folgenden Figuren nicht einschränkend dargestellt:
Dabei zeigt die Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung mit einer Ladeeinheit.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt die externe Verkabelung der Schaltung aus Fig. 1.
Fig. 4 zeigt die externe Verkabelung der Schaltung der Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Schaltung umfasst zwei Batteriemodule 2a, 2b, die an eine Ladespannungsquelle 1 angeschlossen sind. Jede der Batteriemodule 2a, 2b umfasst einen Energiespeicher 3, beispielsweise in Form eines Akkumulators, einer Batterie oder eines Kondensators usw. Jedes der Batteriemodule 2a, 2b weist einen ersten Anschluss A und einen zweiten Anschluss B auf. Ferner weist jedes der Batteriemodule 2a, 2b einen ersten Ausgleichsanschluss C sowie einen zweiten Ausgleichsanschluss D auf. Der Energiespeicher 3 ist mit seinem positiven Anschluss 31 mit dem ersten Anschluss A verbunden und mit seinem negativen Anschluss 32 mit dem zweiten Anschluss B verbunden. Jedes der Enden der Reihenschaltung der Energiespeicher 3 wird an jeweils einen der Pole der Ladespannungsquelle 1 oder an jeweils einen Anschluss eines Verbrauchers angeschlossen. Dabei wird von der Ladespannungsquelle 1 die zur Ladung der Batteriemodule 2a, 2b erforderliche Spannung und Polung eingestellt bzw. ein vorgegebener Ladestrom aufgeprägt. Beim Anschluss eines Verbrauchers stellt sich ein Entladestrom ein. Die Energiespeicher 3 sind im folgenden Ausführungsbeispiel als zweipolige Energiespeicher 3 dargestellt.
Jedes Batteriemodul 2a, 2b umfasst ferner einen Aufwärts-Wandler 4, der beispielsweise als Sperrwandler ausgeführt sein kann. An der Sekundärseite des Wandlers 4 sind ein erster Wandlerausgang 4a und ein zweiter Wandlerausgang 4b vorgesehen. Der erste Wandlerausgang 4a ist mit dem ersten Ausgleichsanschluss C verbunden, der zweite Wandlerausgang 4b ist mit dem zweiten Ausgleichsanschluss D verbunden. Der Wandler 4 ist im vorliegenden Fall dazu ausgebildet, dem Energiespeicher 3 Energie zu entnehmen und in Form von Strom an seinen Wandlerausgängen 4a, 4b bereitzustellen. Der Wandler 4 ist an einen Energiespeicher 3 angeschlossen, wobei der Wandler 4 zwei Wandlereingänge 4x, 4y aufweist, von denen einer an den positiven Anschluss 31 des Energiespeichers 3, der andere an dessen negativen Anschluss 32 angeschlossen ist. Der Wandler 4 weist weiters einen Steuereingang auf, über den das Übertragungsverhalten des Wandlers 4 eingestellt werden kann. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wandler 4 einen an den Steuereingang angeschlossenen Steuerschalter 6, der eine Unterbrechung der Primärseite des Wandlers 4 bewirkt. Wird der Steuerschalter, beispielsweise getaktet angesteuert, wird Energie vom Energiespeicher 3 auf die Ausgänge des Wandlers übertragen.
Jedes Batteriemodul 2a, 2b weist ferner einen Entkopplungsschalter 8 auf. Der Entkopplungsschalter 8 ist mit seinem ersten Anschluss mit dem ersten Ausgleichsanschluss C verbunden und mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Ausgleichsanschluss D verbunden. Der Entkopplungsschalter 8 ist vorteilhafterweise durch eine Diode gebildet, deren Kathode vorzugsweise am ersten Ausgleichsanschluss C angeschlossen ist. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Entkopplungsschalter 8 durch einen elektrisch steuerbaren Schalter ausgebildet ist, der mit dem Wandler 4 synchronisiert ist.
Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der
Wandler 4 einen Ausgangsschalter 7 aufweist. Dieser ist mit einem seiner Anschlüsse an einen der Ausgänge 4a des Wandlers 4 angeschlossen. Der Ausgangsschalter 7 ist durch eine Ausgangsdiode gebildet, deren Kathode an den ersten Ausgleichsanschluss C angeschlossen ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Anode der Ausgleichsdiode an den zweiten Ausgangsanschluss D angeschlossen ist. Der Ausgangsschalter 7 kann auch durch einen elektronischen Schalter gebildet sein, der mit dem Wandler synchronisiert ist. Der jeweils andere Anschluss des Ausgangsschalters 7 ist entweder mit dem ersten Ausgleichsanschluss C oder mit dem zweiten Ausgleichsanschluss D elektrisch leitend verbunden.
Ferner weist jedes Batteriemodul 2a, 2b eine Steuereinheit 5 auf, die zwei nicht dargestellte Messleitungen aufweist, die jeweils mit einer der Elektroden des Energiespeichers 3 des jeweiligen Batteriemoduls 2a, 2b verbunden sind. Die Steuereinheit kann mit einem am Energiespeicher des jeweiligen Batteriemoduls 2a, 2b angeordneten Temperaturfühler oder mit einem in Serie zum Energiespeicher 3 geschalteten Strommessgerät verbunden bzw. angeschlossen sein. Über diese Eingänge wird die zwischen den beiden Elektroden des Energiespeichers 3 anliegende Spannung von der Steuereinheit 5 abgegriffen und kann zur Regelung des Aufladungsvorgangs herangezogen werden. Die Steuereinheit 5 ist über einen Steuerausgang 53 mit dem Steuereingang des Wandlers 4 verbunden und regelt somit das Schaltverhalten des Steuerschalters 6 und somit die Energieübertragung zwischen dem Energiespeicher 3 und dem Wandler 4.
Die Batteriemodule 2a, 2b sind in Serie geschaltet. Der erste Anschluss A der Batteriemodule ist an den zweiten Anschluss B des jeweils nachfolgenden Batteriemoduls angeschlossen. Der erste Ausgleichsanschluss C der Batteriemodule ist an den zweiten Ausgleichsanschluss D des jeweils nachfolgenden Batteriemoduls angeschlossen. Die ersten und zweiten Anschlüsse A, B und Ausgleichsanschlüsse C, D der am Ende der Serienschaltung liegenden Batteriemodule bilden jeweils die Anschlüsse der Anordnung. Der am Ende der Reihenschaltung liegende erste Anschluss A und der am Ende der Reihenschaltung liegende erste Ausgleichsanschluss C sind miteinander über ein elektrisch leitendes Verbindungselement verbunden. Der am Ende der Reihenschaltung liegende zweite Anschluss B und der am Ende der Reihenschaltung liegende zweite Ausgleichsanschluss D sind miteinander über ein weiteres leitendes zweites Verbindungselement verbunden.
Sämtliche Steuereinheiten 5 der Batteriemodule 2a, 2b stehen miteinander sowie mit einer externen Laderegelungseinheit 20 über eine Datenleitung 21 insbesondere einen Bus, in Datenverbindung.
Die Laderegeleinheit 20 umfasst vorteilhafterweise die folgenden Komponenten: Mittel zur Kommunikation mit den einzelnen Steuereinheiten, insbesondere über einen Bus. Dabei kann es sich um unterschiedliche Treiber und Protokollbauelemente zur Verwendung unterschiedlicher Busprotokolle handeln.
- Mittel zum Erfassen und Auswerten der mit den einzelnen Steuereinheiten 5 ermittelten Temperatur-, Spannungs- und Ladungswerte. Hierbei handelt es sich um Empfangseinheiten, die aus den über den Bus übermittelten Signale die jeweiligen Temperatur-, Spannungs- und Ladungswerte der einzelnen Batteriemodule ermitteln und zur Verfügung stellen.
- Mittel zur Ansteuerung der einzelnen Steuereinheiten sowie zur Ansteuerung der Wandler. Dabei handelt es sich insbesondere um Sendeeinheiten, die auf den Bus Steuersignale abgeben, die von den Steuereinheiten 5 empfangen werden. Die Steuereinheiten 5 steuern dementsprechend ihre Wandler 4 an.
Mittel zur Durchführung eines Ladungsausgleichsverfahrens, wobei auf Basis der ermittelten Temperatur-, Spannungs- und Ladungswerte die Wandler angesteuert und gegebenenfalls aktiviert werden. Derartige Ladeverfahren zählen zum Stand der Technik und sind dem Fachmann beispielsweise aus Dynamic Equalization Techniques for Series Battery Stacks - Telecommunications Energy Conference, INTELEC Conf. Proceedings, pp. 514-521 , 1996, bekannt.
Gegebenenfalls kann diese Laderegelungseinheit 20 auch entfallen und die Laderegelung dezentral über die einzelnen Steuereinheiten 5 erfolgen.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung gemäß dem Stand der Technik wird anhand der Unterschiede zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Schaltung umfasst eine Ladespannungsquelle 1 sowie eine Anzahl von Batteriemodulen 2a', 2b', deren Energiespeicher 3 in Reihe geschaltet sind.
Wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Schaltungen ist die Beschaltung der Sekundärseite des Wandlers 4. Es ist lediglich eine einzige Diode 7' vorgesehen, die mit ihrer Anode an einem Ausgang der Sekundärseite des Wandlers 4 angeschlossen ist. Die Kathoden der Dioden T der einzelnen Batteriemodule 2a, 2b sind jeweils mit dem positiven Pol der Ladespannungsquelle 1 verbunden. Die jeweils anderen Ausgänge der Sekundärseiten 4b der Wandler 4 sind mit dem negativen Pol der Ladespannungsquelle 1 verbunden. Es ist somit eine Busleitung erforderlich, die zu jeden der Batteriemodule geführt werden muss. In der Fig. 4 ist eine modulare Schaltung analog zur Fig. 3 dargestellt. Man kann sehen, dass die Verkabelung der einzelnen Module wesentlich aufwendiger ist und wesentlich mehr Kabel benötigt wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Batteriemodul umfassend
- einen Energiespeicher (3) mit einem positiven und einem negativen Anschluss (31 , 32), - einen ersten und einen zweiten Anschluss (A, B),
- einen ersten und einen zweiten Ausgleichsanschluss (C, D),
- einen Aufwärtswandler (4) mit einem ersten und einem zweiten Wandlerausgang (4a, 4b) und
- einen Entkopplungsschalter (8),
wobei der Energiespeicher (3) mit seinem positiven Anschluss (31) mit dem ersten Anschluss (A) und mit seinem negativen Anschluss mit dem zweiten Anschluss (B) verbunden ist,
- wobei der erste Wandlerausgang (4a) mit dem ersten Ausgleichsanschluss (C) verbunden ist und der zweite Wandlerausgang (4b) mit dem zweiten Ausgleichsanschluss (D) verbunden ist,
- wobei der Wandler (4) dazu ausgebildet ist, dem Energiespeicher (3) Energie zu entnehmen und in Form von Strom an seinen Wandlerausgängen (4a, 4b) bereitzustellen, und wobei der Entkopplungsschalter (8) mit seinem ersten Anschluss mit dem ersten Ausgleichsanschluss (C) verbunden ist und mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Ausgleichsanschluss (D) verbunden ist.
2. Batteriemodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) als Sperrwandler ausgebildet ist.
3. Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das der Wandler (4) an den Energiespeicher (3) angeschlossen ist.
4. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) zwei Wandlereingänge (4x, 4y) aufweist, von denen einer an den positiven Anschluss (31), der andere an den negativen Anschluss (32) des Energiespeichers (3) angeschlossen ist.
5. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) einen Ausgangsschalter (7) aufweist, der mit einem seiner Anschlüsse an einen der Ausgänge (4a) des Wandlers (4) angeschlossen ist.
6. Batteriemodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsschalter (7) durch einen gesteuerten elektronischen Schalter gebildet ist, der mit dem Wandler (4) synchronisiert ist.
7. Batteriemodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsschalter (7) durch eine Ausgangsdiode gebildet ist, wobei die Kathode der Ausgangsdiode an den ersten Ausgleichsanschluss (C) angeschlossen ist oder die Anode der Ausgangsdiode an den zweiten Ausgleichsanschluss (D) angeschlossen ist.
8. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Entkopplungsschalter (8) durch eine Diode gebildet ist, deren Kathode vorzugsweise am ersten Ausgleichsanschluss (C) angeschlossen und die Anode der Ausgleichsdiode am zweiten Ausgleichsanschluss (D) angeschlossen ist.
9. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Entkopplungsschalter (8) durch einen elektrisch steuerbaren Schalter ausgebildet ist, der mit dem Wandler (4) synchronisiert ist.
10. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) von einer Steuereinheit (5) gesteuert ist, die den Betriebszustand der
Batterie überwacht.
11. Batteriemodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) einen Detektor zur Detektion der am Energiespeicher (3) anliegenden Spannung, der vorliegenden Ladung oder der Temperatur des Energiespeichers (3) sowie einen Schwellenwertschalter zum Aktivieren des Wandlers (4) bei Überschreitung einer vorgegebenen Schwellenwertspannung, Schwellenwertladung oder
Schwellenwerttemperatur aufweist.
12. Anordnung umfassend eine Vielzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (2a, 2b) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (A) der Batteriemodule an den zweiten Anschluss (B) des jeweils nachfolgenden Batteriemoduls angeschlossen ist und
der erste Ausgleichsanschluss (C) der Batteriemodule an den zweiten Ausgleichsanschluss (D) des jeweils nachfolgenden Batteriemoduls angeschlossen ist, wobei die ersten und zweiten Anschlüsse und Ausgleichsanschlüsse (A, B, C, D) der am Ende der Serienschaltung liegenden Batteriemodule Anschlüsse der Anordnung bilden.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der am Ende der Reihenschaltung liegende erste Anschluss (A) und der am Ende der Reihenschaltung liegende erste Ausgleichsanschluss (C) miteinander, gegebenenfalls über ein elektrisch leitendes erstes Verbindungselement, verbunden sind und der am Ende der Reihenschaltung liegende zweite Anschluss (B) und der am Ende der Reihenschaltung liegende zweite Ausgleichsanschluss (D) miteinander, gegebenenfalls über ein elektrisch weiteres leitendes zweites Verbindungselement, verbunden sind.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (5) der Batteriemodule miteinander, gegebenenfalls über einen Bus (19), verbunden sind.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheiten (5) mit einer Laderegeleinheit (20) verbunden sind, wobei die Laderegeleinheit (20) umfasst:
Mittel zur Kommunikation mit den einzelnen Steuereinheiten (5), insbesondere über einen Bus
Mittel zum Erfassen und Auswerten der mit den einzelnen Steuereinheiten (5) ermittelten Temperatur-, Spannungs- und Ladungswerte
Mittel zur Ansteuerung der einzelnen Steuereinheiten (5) sowie zur Ansteuerung der Wandler (4) sowie
Mittel zur Durchführung eines Ladungsausgleichsverfahrens, wobei auf Basis der ermittelten Temperatur-, Spannungs- und Ladungswerte die Wandler angesteuert und gegebenenfalls aktiviert werden.
16. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 als Starterbatterie oder Energiespeicher in einem Automobil.
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