DE102014212933B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Ladezustandsausgleich für ein Batteriesystem - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Ladezustandsausgleich für ein Batteriesystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zum Ladezustandsausgleich mit einem Batteriesystem (10) zum Bereitstellen von elektrischer Energie umfassend eine Serienschaltung von einem ersten Batterieteilmodul (13) und einem zweiten Batterieteilmodul (13'), mit einem ersten Spannungswandlungsmodul (20'), wobei das erste Spannungswandlungsmodul (20') mit dem zweiten Batterieteilmodul (13') elektrisch verbunden ist, und wobei an das erste Spannungswandlungsmodul (20') eine elektrische Komponente (30) anschließbar und mit der elektrischen Energie aus dem angeschlossenen zweiten Batterieteilmodul (13') versorgbar ist, wobei die Vorrichtung (2) eine Schalteinrichtung (26) zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Batterieteilmodul (13) und dem ersten Spannungswandlungsmodul (20') aufweist und wobei die Vorrichtung (2) eine Steuervorrichtung (11) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Schalteinrichtung (26) derart anzusteuern, dass ein elektrischer Energiefluss von dem ersten Batterieteilmodul (13) zu dem zweiten Batterieteilmodul (13') führt und/oder dass ein elektrischer Energiefluss von dem zweiten Batterieteilmodul (13') zu dem ersten Batterieteilmodul (13) führt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladezustandsausgleich mit einem Batteriesystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie umfassend eine Serienschaltung von einem ersten Batterieteilmodul und einem zweiten Batterieteilmodul und mit einem ersten Spannungswandlungsmodul, wobei das erste Spannungswandlungsmodul mit dem zweiten Batterieteilmodul elektrisch verbunden ist, und wobei an das erste Spannungswandlungsmodul eine elektrische Komponente anschließbar und mit der elektrischen Energie aus dem angeschlossenen zweiten Batterieteilmodul versorgbar ist.
  • Zur Energieversorgung von elektrischen Komponenten sind in der Regel elektrische Energiespeicher bzw. Leistungsspeicher vorgesehen. Solche elektrischen Energiespeicher bzw. Leistungsspeicher können beispielsweise Batteriezellen, welche eine elektrische Batteriezellenspannung bereitstellen, sein. Um eine gewünschte elektrische Spannungshöhe zu erreichen, werden die Batteriezellen üblicherweise zu Batterie-Stacks verschaltet. In Niedervolt-Anwendungen sind in der Regel Spannungshöhen kleiner als 60 Volt vorgesehen, in Hochvolt-Anwendungen sind in der Regel Spannungshöhen größer als 60 Volt, insbesondere größer als 100 Volt vorgesehen. Energiespeicher in Hochvolt-Anwendungen können beispielsweise dazu vorgesehen sein, elektrische Maschinen, beispielsweise Elektromotoren in Kraftfahrzeugen, mit Energie zu versorgen. Eine solche elektrische Maschine ist beispielsweise in der WO 2004/073157 A2 beschrieben. Eine Schaltungsanordnung, bei welcher elektrische Energie aus einer Batterie an wenigstens zwei seriell geschaltete Submodule, an welche jeweils ein Elektromotor angeschlossen ist, übertragen wird, ist aus der EP 2 608 397 A1 bekannt. Aus der DE 10 2011 077 708 A1 ist ein Batteriesystem mit einem Batteriemodul, welches in Reihe geschaltete Batteriezellmodule umfasst, und eine Schaltmatrix mit Schaltschienen, die jeweils mit einem Knotenpunkt zwischen je zwei Batteriezellmodulen verbunden sind, bekannt. Des Weiteren sind beispielsweise Kondensatoren als elektrische Energiespeicher bekannt.
  • Insbesondere für Hochvolt-Anwendungen reicht die Spannung einzelner Batterie-Stacks in der Regel nicht aus. Zum Erreichen einer höheren Spannung, insbesondere einer Hochvolt-Spannung, kann es vorgesehen sein, dass mehrere Batterie-Stacks zur Versorgung einer elektrischen Komponente, beispielsweise eines Elektromotors, dienen. Üblicherweise werden dazu mehrere Batterie-Stacks in Reihe zu einem Batteriesystem verschaltet, an welches eine zu versorgende elektrische Komponente angeschlossen wird. Somit steht der elektrischen Komponente die Summe der Spannungen an den einzelnen Batterie-Stacks zur Verfügung.
  • Die Batterie-Stacks können aufgrund von möglichen unterschiedlichen Batteriezellchemien, Alterungserscheinungen, Fertigungstoleranzen und Belastungsprofilen voneinander abweichende Ladezustände und unterschiedliche Impedanzen aufweisen. Dies führt dazu, dass die in Reihe verschalteten Batterie-Stacks im Betrieb unterschiedlich entladen und geladen werden und dabei kritische Ladezustände einnehmen können. Die unterschiedlichen Ladezustände werden in der Regel mit sogenannten Ladezustandsausgleichsverfahren, oder auch Balancing-Verfahren, ausgeglichen. Ohne eine geeignete Balancierung ist eine lebensdauerschonende und vollständige Nutzung der gesamten installierten Batterieenergie nicht möglich oder es wäre eine Betriebsstrategie in Kauf zu nehmen, die einen möglichen Betriebsbereich des Batteriesystems einschränken würde. Aus der US 2012/0074907 A1 ist eine Schaltung zum Ladungsausgleich zwischen seriell geschalteten Batteriezellen bekannt, welche Halbleiterschalter umfasst.
  • Im Stand der Technik werden derzeit hauptsächlich sogenannte dissipative Balancing-Verfahren angewandt. Dabei wird dasjenige Batterie-Stack entladen, dessen Ladezustand am höchsten ist, indem die Ladeenergie dieses Batterie-Stacks durch einen parallel geschalteten Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Die überschüssige Energie des stärker geladenen Batterie-Stacks wird also über Verluste in ohmschen Balancierungswiderständen reduziert. Dieses Balancing-Verfahren wird in der Regel durch ein Batteriemanagementsystem überwacht.
  • Diese dissipativen Verfahren sind in der Regel energieineffizient und weisen durch die aufwändige Überwachung durch das Batteriemanagementsystem hohe Kosten auf.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine energieeffiziente und kostengünstige Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich zu realisieren, mit welcher eine lebensdauerschonende und effektive Nutzung des Batteriesystems erreichbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Ladezustandsausgleich. Die Vorrichtung umfasst ein Batteriesystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie umfassend eine Serienschaltung von einem ersten Batterieteilmodul und einem zweiten Batterieteilmodul, und ein erstes Spannungswandlungsmodul, wobei das erste Spannungswandlungsmodul mit dem zweiten Batterieteilmodul elektrisch verbunden ist, und wobei an das erste Spannungswandlungsmodul eine elektrische Komponente anschließbar und mit der elektrischen Energie aus dem angeschlossenen zweiten Batterieteilmodul versorgbar ist und wobei das erste Spannungswandlungsmodul einen Hochsetzsteller aufweist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Schalteinrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Batterieteilmodul und dem ersten Spannungswandlungsmodul und eine Steuervorrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, die Schalteinrichtung derart anzusteuern, dass ein elektrischer Energiefluss von dem ersten Batterieteilmodul zu dem zweiten Batterieteilmodul führt und/oder dass ein elektrischer Energiefluss von dem zweiten Batterieteilmodul zu dem ersten Batterieteilmodul führt.
  • Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Schalteinrichtung das erste Spannungswandlungsmodul, welches elektrisch mit dem zweiten Batterieteilmodul verbunden ist, zusätzlich elektrisch mit dem ersten Batterieteilmodul verbindet. Es wird also ein Stromkreis gebildet, der die Schalteinrichtung, das erste Batterieteilmodul und das erste Spannungswandlungsmodul umfasst. Mittels der Schalteinrichtung wird also ein Energiefluss von dem ersten Batterieteilmodul zu dem zweiten Batterieteilmodul und/oder von dem zweiten Batterieteilmodul zu dem ersten Batterieteilmodul möglich. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Energie, welche einem der Batterieteilmodule entnommen wird, mittels des ersten Spannungswandlungsmoduls zwischengespeichert werden kann, um dann einem anderen der Batterieteilmodule zugeführt zu werden. Der Energiefluss, insbesondere die Richtung des Energieflusses, ist von der Steuervorrichtung steuerbar. Der Energiefluss kann zum Ladezustandsausgleich dienen. Die Energie, welche zum Ladezustandsausgleich dient, wird also zwischen den Batterieteilmodulen ausgetauscht und somit effizient genutzt. Insbesondere wird die Energie eines Batterieteilmoduls nicht über einen ohmschen Widerstand in Wärme und damit in Verlustleistung umgewandelt, sondern einem anderen Batterieteilmodul als Ladeenergie zugeführt. Die Vorrichtung ist also besonders energieeffizient gestaltet.
  • Darüber hinaus weist der Hochsetzsteller des ersten Spannungswandlungsmoduls eine Spule auf, die mittels der Schalteinrichtung elektrisch mit dem ersten Batterieteilmodul verbindbar ist. Durch die Schalteinrichtung kann also die Spule, welche mit dem zweiten Batterieteilmodul elektrisch verbunden ist, zusätzlich mit dem ersten Batterieteilmodul elektrisch verbunden werden. Es wird also ein Stromkreis gebildet, der die Schalteinrichtung, das erste Batterieteilmodul und die Spule umfasst. Mittels der Spule kann der Energiefluss in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bidirektional erfolgen, also von dem ersten Batterieteilmodul zu dem zweiten Batterieteilmodul und/oder von dem zweiten Batterieteilmodul zu dem ersten Batterieteilmodul. Dafür kann die elektrische Energie, welche einem der Batterieteilmodule entnommen wird, als magnetische Energie in der Spule zwischengespeichert werden, um schließlich als elektrische Energie einem anderen der Batterieteilmodule zum Laden zugeführt zu werden. Durch die Nutzung der Spule des ersten Spannungswandlungsmoduls als Energiespeicher kann die Vorrichtung besonders kostengünstig gestaltet werden.
  • Besonders bevorzugt steuert die Steuervorrichtung die Schalteinrichtung derart an, dass in einem ersten Schaltzustand der Schalteinrichtung ein elektrischer Energiefluss vom ersten Batterieteilmodul zum zweiten Batterieteilmodul erfolgt. Alternativ oder zusätzlich steuert die Steuervorrichtung die Schalteinrichtung derart an, dass in einem zweiten Schaltzustand der Schalteinrichtung ein elektrischer Energiefluss vom zweiten Batterieteilmodul zum ersten Batterieteilmodul erfolgt. Somit kann bedarfsgerecht und gezielt einem der Batterieteilmodule elektrische Energie entnommen werden und einem anderen der Batterieteilmodule als Ladeenergie zugeführt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, den ersten Schaltzustand vorzugeben, falls ein Ladezustand des ersten Batterieteilmoduls größer ist als ein Ladezustand des zweiten Batterieteilmoduls, und die Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, den zweiten Schaltzustand vorzugeben, falls ein Ladezustand des zweiten Batterieteilmoduls größer ist als ein Ladezustand des ersten Batterieteilmoduls. Die Steuervorrichtung kann also dazu ausgelegt sein, den Ladezustand jedes der Batterieteilmodule zu erkennen. Falls der Ladezustand des ersten Batterieteilmoduls größer ist als der Ladezustand des zweiten Batterieteilmoduls, so kann mittels der durch die Steuervorrichtung angesteuerten Schalteinrichtung ein Teil der Energie des ersten Batterieteilmoduls dem zweiten Batterieteilmodul zum Ladezustandsausgleich zugeführt werden. Umgekehrt kann dem ersten Batterieteilmodul mittels der durch die Steuervorrichtung angesteuerten Schalteinrichtung ein Teil der Energie des zweiten Batterieteilmoduls zum Ladezustandsausgleich zugeführt werden, falls das zweite Batterieteilmodul einen größeren Ladezustand aufweist als das erste Batterieteilmodul. Somit wird eine Energiemenge, welche einem Batterieteilmodul entnommen wird, als Ladeenergie für ein anderes Batterieteilmodul verwendet. Insbesondere wird die Ladeenergie des stärker geladenen Batterieteilmoduls nicht gezielt über ohmsche Balancierungswiderstände in Verlustleistung umgewandelt.
  • Besonders bevorzugt ist die Steuervorrichtung dazu ausgelegt, eine erste Zeitdauer, während der sich die Schalteinrichtung in dem ersten Schaltzustand befindet, und/oder eine zweite Zeitdauer, während der sich der Schalteinrichtung in dem zweiten Schaltzustand befindet, zu steuern. Somit kann gewährleistet werden, dass ein Balancing-Vorgang, also eine Übertragung von Energie von einem Batterieteilmodul zu einem anderen Batterieteilmodul, beendet werden kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass nur eine Teilmenge an Energie, welche einem Batterieteilmodul entnommen wird, einem anderen Batterieteilmodul zugeführt wird. Die verbleibende Energiemenge kann dabei wieder in das Batterieteilmodul zurückgespeist werden, welchem sie entnommen wurde. Dieser Vorgang der Rückspeisung benötigt eine längere Zeitdauer, welche mittels der Steuervorrichtung berücksichtigt werden kann. Somit ist die Vorrichtung besonders verlustarm gestaltet.
  • Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung zumindest ein drittes Batterieteilmodul und zumindest ein zweites Spannungswandlungsmodul auf. Die Vorrichtung kann somit um weitere Batteriemodule sowie Spannungswandlungsmodule erweitert werden, falls beispielsweise eine größere Menge an Energie zum Betreiben einer und/oder mehrerer elektrischer Komponenten benötigt wird. Die Vorrichtung ist also in der Spannungshöhe skalierbar.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von elektrischer Energie mittels eines Batteriesystems, welches eine Serienschaltung von einem ersten Batterieteilmodul und einem zweiten Batterieteilmodul umfasst, das elektrische Verbinden des ersten Batterieteilmoduls mit einem ersten Spannungswandlungsmodul, wobei an das erste Spannungswandlungsmodul eine elektrische Komponente anschließbar ist und mit der elektrischen Energie aus dem angeschlossenen zweiten Batterieteilmodul versorgbar ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Batterieteilmodul und dem ersten Spannungswandlungsmodul mittels einer Schalteinrichtung und das Steuern eines elektrischen Energieflusses von dem ersten Batterieteilmodul zu dem zweiten Batterieteilmodul und/oder das Steuern eines elektrischen Energieflusses von dem zweiten Batterieteilmodul zu dem ersten Batterieteilmodul.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Schalten einer elektrischen Verbindung des ersten Batterieteilmoduls mit dem ersten Spannungswandlungsmodul mittels der Schalteinrichtung, das Steuern des elektrischen Energieflusses von dem ersten Batterieteilmodul zu dem ersten Spannungswandlungsmodul, das Umwandeln der durch den elektrischen Energiefluss transportierten elektrischen Energie in magnetische Energie mittels einer Spule, welche in dem ersten Spannungswandlungsmodul angeordnet ist, und das Speichern der magnetischen Energie in der Spule, das Schalten einer elektrischen Verbindung der Spule mit dem zweiten Batterieteilmodul und das Abgeben und das Umwandeln der an der Spule gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie für das zweite Batterieteilmodul.
  • In dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass der Ladezustand des ersten Batterieteilmoduls größer ist als der Ladezustand des zweiten Batterieteilmoduls. Um dem ersten Batterieteilmodul Energie zu entnehmen, wird die Schalteinrichtung mit der Spule des ersten Spannungswandlungsmoduls, welches mit dem zweiten Batterieteilmodul verbunden ist, elektrisch verbunden. Die von dem ersten Batterieteilmodul bereitgestellte Energie wird als magnetische Energie in der Spule zwischengespeichert. Die Spule wird nun mit dem zweiten Batterieteilmodul elektrisch verbunden. Die Spule gibt die gespeicherte magnetische Energie als elektrische Energie ab, welche dem zweiten Batterieteilmodul zum Laden des zweiten Batterieteilmoduls zugeführt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren das Schalten einer elektrischen Verbindung der Spule des ersten Spannungswandlungsmoduls mit dem zweiten Batterieteilmodul, das Umwandeln der durch den elektrischen Energiefluss transportierten elektrischen Energie aus dem zweiten Batterieteilmodul in magnetische Energie mittels der Spule und Speichern der magnetischen Energie in der Spule, das Schalten einer elektrischen Verbindung der Spule mit dem ersten Batterieteilmodul mittels der Schalteinrichtung, das Steuern des Energieflusses von der Spule zu dem ersten Batterieteilmodul und das Abgeben und Umwandeln der in der Spule gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie für das erste Batterieteilmodul.
  • In dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass der Ladezustand des zweiten Batterieteilmoduls größer ist als der Ladezustand des ersten Batterieteilmoduls. Um dem ersten Batterieteilmodul Energie zu entnehmen, wird die Spule des ersten Spannungswandlungsmoduls mit dem zweiten Batterieteilmodul elektrisch verbunden. Die von dem zweiten Batterieteilmodul bereitgestellte Energie wird als magnetische Energie in der Spule zwischengespeichert. Die Spule wird nun mit dem ersten Batterieteilmodul elektrisch verbunden. Die Spule gibt die gespeicherte magnetische Energie als elektrische Energie ab, welche dem erstem Batterieteilmodul zum Laden des ersten Batterieteilmoduls zugeführt wird.
  • Somit kann mittels einer einzigen Schalteinrichtung ein besonders energieeffizientes und verlustarmes Balancing-Verfahren realisiert werden.
  • Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren sowie dessen bevorzugte Ausführungsformen. Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Antriebsanordnung; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • 1 zeigt eine Antriebsanordnung 1, welche beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder in einer Windkraftanlage angeordnet sein kann. Dabei sind mehrere Batterieteilmodule 13, auch Batterie-Stacks genannt, über Koppelvorrichtungen 17 seriell zu einem Batteriesystem 10 verschaltet. Die Schalteinrichtungen 17 können mittels einer Steuervorrichtung 11 über Steuerbusse 12 gesteuert werden. An jedem der Batterieteilmodule 13 fällt eine Batterieteilmodulspannung UM ab. Zwischen den einzelnen Batterieteilmodulen 13 des Batteriesystems 10 sind Spannungsabgriffe 18 angeordnet, über welche an jedes Batterieteilmodul 13 ein Spannungswandlungsmodul 20 angeschlossen werden kann. Die Batterieteilmodulspannung UM eines Batterieteilmoduls 13 fällt nun an demjenigen Spannungswandlungsmodul 20 ab, welches mit dem Batterieteilmodul 13 elektrisch verbunden ist. Ein Batterieteilmodul 13 sowie ein angeschlossenes Spannungswandlungsmodul 20 bilden jeweils ein Submodul 40, 40', 40''. Mittels der Submodule 40, 40', 40'' sind elektrische Verbraucher 30, 30', 30'' mit Energie versorgbar.
  • Innerhalb des oberen Submoduls 40' umfasst das Spannungswandlungsmodul 20 mehrere parallel geschaltete Spannungswandlungselemente 21, an die eine elektrische Komponente 30', insbesondere ein Elektromotor, angeschlossen ist. Die parallele Verschaltung der Spannungswandlungselemente 21 dient der Stromskalierung.
  • An die beiden mittleren Submodule 40 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine einzige elektrische Komponente 30 angeschlossen. Dadurch wird der elektrischen Komponente 30 die zweifache Batterieteilmodulspannung UM zugeführt. Die serielle Verschaltung der Submodule 40, an welche die elektrische Komponente 30 angeschlossen ist, dient der Spannungsskalierung.
  • Das untere Submodul 40'' versorgt eine elektrische Komponente 30'', welche vorliegend als DC-Last ausgebildet ist, mit Energie. Das Spannungswandlungselement 21 des Spannungswandlungsmoduls 20 ist hier beispielsweise als Gleichspannungswandler, insbesondere als Hochsetzsteller, ausgebildet.
  • 1 zeigt also, dass die Batterieteilmodule 13 beliebig und unabhängig voneinander belastet werden können. Dies kann zu unterschiedlichen Ladezuständen der Batterieteilmodule 13 führen. Die Batterieteilmodule 13 können aber auch aufgrund von möglichen unterschiedlichen Batteriezellchemie, Alterungserscheinungen und Fertigungstoleranzen der Batterieteilmodule 13 voneinander abweichenden Ladezustände und unterschiedliche innere Impedanzen aufweisen. Um nun einen wirkungsgradoptimalen Ausgleich der Ladezustände, also der Spannungsniveaus, zwischen den einzelnen Batterie-Stacks 13 auch bei Vorliegen von beliebigen elektrischen Lasten 30, 30', 30'' erreichen zu können, wird die Antriebsanordnung 1 gemäß 2 erweitert.
  • 2 zeigt eine Vorrichtung 2 zum Ladezustandsausgleich, welche in der Antriebsanordnung 1 gemäß 1 angeordnet sein kann. Die Vorrichtung 2 umfasst ein Batteriesystem 10 bestehend aus einer Reihenschaltung mehrerer Batterieteilmodule 13, 13', 13''. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das Batteriesystem aus der Reihenschaltung eines ersten Batterieteilmoduls 13, eines zweiten Batterieteilmoduls 13' und eines dritten Batterieteilmoduls 13''. In der Vorrichtung 2 können auch weitere Batterieteilmodule vorgesehen sein. Die Batterieteilmodule 13, 13', 13'' können unterschiedliche Ladezustände aufweisen. An jedem der Batterieteilmodule 13, 13', 13'' fällt eine Batterieteilmodulspannung UM ab. An jedes der Batterieteilmodule 13, 13', 13'' ist ein Spannungswandlungsmodul 20, 20' anschließbar. Die Spannungswandlungsmodule 20, 20' können identisch ausgeführt sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein erstes Spannungswandlungsmodul 20 mit dem ersten Batterieteilmodul 13 verbunden und ein zweites Spannungswandlungsmodul 20' ist mit dem zweiten Batterieteilmodul 13' verbunden. Das erste Spannungswandlungsmodul 20 umfasst einen ersten Hochsetzsteller 22 und das zweite Spannungswandlungsmodul 20' umfasst einen zweiten Hochsetzsteller 22'. Auch die Hochsetzsteller 22, 22' können identisch ausgeführt sein.
  • An jedes der Spannungswandlungsmodule 20, 20' ist eine elektrische Komponente 30 anschließbar. Der Hochsetzsteller 22, 22' des Spannungswandlungsmoduls 20, 20' ist dazu ausgelegt, die von dem angeschlossenen Batterieteilmodul 13, 13', 13'' bereitgestellte Spannung UM in eine höhere Spannung für die elektrische Komponente 30 umzuwandeln. Jeder der Hochsetzsteller 22, 22' weist jeweils eine Spule L1, L2, welche auch Hochsetzstellerdrossel genannt wird, jeweils zwei Schaltelemente, welche hier als Transistoren T1, T2, T3, T4 ausgeführt sind, und jeweils einen Kondensator C1, C2 auf.
  • Jede der elektrischen Komponenten 30 kann als eine DC-Last oder als eine elektrische Maschine ausgebildet sein. Falls die elektrische Komponente als eine elektrische Maschine ausgebildet ist, so kann zusätzlich ein Wechselrichter (hier nicht dargestellt) vorgesehen sein, welcher in jedem der Spannungswandlungsmodule 20, 20' angeordnet sein kann.
  • Zum Ladezustandsausgleich zwischen dem ersten Batterieteilmodul 13 und dem zweiten Batterieteilmodul 13' ist nun eine Schalteinrichtung 26 vorgesehen, welche einen ersten Anschluss 27 und einen zweiten Anschluss 28 aufweist. Die Schalteinrichtung 26 weist zwei Schaltelemente T5 und T6 auf, welche hier als Transistoren ausgebildet sind. Der erste Anschluss 27 der Schalteinrichtung 26 ist mit dem ersten Batterieteilmodul 13 verbunden. Der zweite Anschluss 28 der Schalteinrichtung 26 ist derart mit der Hochsetzstellerdrossel L2 des zweiten Hochsetzstellers 22' verbunden, dass ein Stromkreis umfassend die Schalteinrichtung 26, das erste Batterieteilmodul 13 und die Hochsetzstellerdrossel L2 gebildet wird.
  • Falls das erste Batterieteilmodul 13 einen höheren Ladezustand aufweist als das zweite Batterieteilmodul 13', so kann die Schalteinrichtung 26 mittels einer Steuervorrichtung (hier nicht dargestellt) derart angesteuert werden, dass zunächst das Schaltelement T6 geschlossen wird. Dadurch erfolgt ein Energiefluss von dem ersten Batterieteilmodul 13 zu der Hochsetzstellerdrossel L2. Die elektrische Energie, welche dem ersten Batteriemodul 13 entnommen wird, wird als magnetische Energie in der Hochsetzstellerdrossel L2 gespeichert. Schließlich wird das Schaltelement T6 geöffnet, wobei die magnetische Energie, welche in der Hochsetzstellerdrossel L2 gespeichert ist, als elektrische Energie abgegeben wird und über das Schaltelement T4, welches als Transistor ausgeführt ist, dem zweiten Batterieteilmodul 13' zugeführt wird. Dieser Energiefluss über den Transistor T4 erfolgt insbesondere über die Body-Diode des Transistors T4. Das zweite Batterieteilmodul 13' wird also mit elektrischer Energie aus dem ersten Batterieteilmodul 13 geladen.
  • Falls nun das zweite Batterieteilmodul 13' einen höheren Ladezustand aufweist als das erste Batterieteilmodul 13, wird zuerst das Schaltelement T4 des Hochsetzstellers 22' geschlossen. Dadurch erfolgt ein Energiefluss von dem zweiten Batterieteilmodul 13' zu der Hochsetzstellerdrossel L2. Die elektrische Energie, welche dem ersten Batteriemodul 13' entnommen wird, wird als magnetische Energie in der Hochsetzstellerdrossel L2 gespeichert. Anschließend wird das Schaltelement T4 geöffnet und das Schaltelement T5 geschlossen. Dabei wird die magnetische Energie, welche in der Hochsetzstellerdrossel L2 gespeichert ist, als elektrische Energie abgegeben und dem ersten Batterieteilmodul 13 zugeführt. Das erste Batterieteilmodul 13 wird also mit elektrischer Energie aus dem zweiten Batterieteilmodul 13' geladen. In dieser Ausführungsform des Verfahrens, in der ein Energiefluss von dem zweiten Batterieteilmodul 13' zu dem ersten Batterieteilmodul 13 erfolgt, wird auch zusätzlich der Kondensator C2 des Zwischenkreises des zweiten Hochsetzstellers 22' aufgeladen. Da die Kapazität des Kondensators C2 des Hochsetzstellers 22' meist kleiner ist als eine Kapazität, welche das erste Batterieteilmodul 13 aufweist, steigt beim Entladen der Hochsetzstellerdrossel L2 die Spannung über C2 schneller an als über dem ersten Batterieteilmodul 13. Die dadurch in dem Kondensator C2 gespeicherte elektrische Energie kann wieder in das zweite Batterieteilmodul 13' zurückgespeist werden, nachdem der Energiefluss vom zweiten Batterieteilmodul 13' zum ersten Batterieteilmodul 13 beendet ist. Dazu wird das Schaltelement T3 geschlossen und das Schaltelement T5 geöffnet, wobei die in dem Kondensator C2 gespeicherte elektrische Energie dem zweiten Batterieteilmodul 13' zugeführt wird. Da zusätzlich zum dem Energiefluss von dem zweiten Batterieteilmodul 13' zu dem ersten Batterieteilmodul 13 der Rückspeisevorgang von dem Kondensator C2 in das zweite Batterieteilmodul 13' erfolgt, dauert der Ladezustandsausgleich in dieser Ausführungsform des Verfahrens länger als der Ladezustandsausgleich, bei welchem ein Energiefluss von dem ersten Batterieteilmodul 13 zu dem zweiten Batterieteilmodul 13' erfolgt. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgelegt sein, eine Zeitdauer für den Ladezustandsausgleich in Abhängigkeit der Energieflussrichtung vorzugeben, um zu gewährleisten, dass der Ladezustandsausgleich jeder der Energieflussrichtungen möglichst verlustarm beendet werden kann.
  • Durch das Beispiel ist somit ein Balancing-Verfahren gezeigt, welches für beliebige Lasten 30, 30', 30'' der Antriebsanordnung gemäß 1 anwendbar ist. Somit können die Submodule 40, 40', 40'' unabhängig voneinander belastet werden, ohne Einschränkungen durch die Unterschiede in den Ladezuständen der einzelnen Batterieteilmodule 13, 13', 13'' hinnehmen zu müssen.

Claims (9)

  1. Vorrichtung (2) zum Ladezustandsausgleich – mit einem Batteriesystem (10) zum Bereitstellen von elektrischer Energie umfassend eine Serienschaltung von einem ersten Batterieteilmodul (13) und einem zweiten Batterieteilmodul (13'), – mit einem ersten Spannungswandlungsmodul (20'), wobei das erste Spannungswandlungsmodul (20') mit dem zweiten Batterieteilmodul (13') elektrisch verbunden ist, wobei an das erste Spannungswandlungsmodul (20') eine elektrische Komponente (30) anschließbar und mit der elektrischen Energie aus dem angeschlossenen zweiten Batterieteilmodul (13') versorgbar ist und wobei das erste Spannungswandlungsmodul (20') einen Hochsetzsteller (22') aufweist, gekennzeichnet durch – eine Schalteinrichtung (26) zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Batterieteilmodul (13) und dem ersten Spannungswandlungsmodul (20'), wobei der Hochsetzsteller (22') eine Spule (L2) aufweist, welche mittels der Schalteinrichtung (26) elektrisch mit dem ersten Batterieteilmodul (13) zum Bilden eines Stromkreises umfassend die Schalteinrichtung (26), das erste Batterieteilmodul (13) und die Spule (L2) verbindbar ist, und – eine Steuervorrichtung (11), die dazu ausgelegt ist, die Schalteinrichtung (26) derart anzusteuern, dass ein elektrischer Energiefluss von dem ersten Batterieteilmodul (13) zu dem zweiten Batterieteilmodul (13') führt und/oder dass ein elektrischer Energiefluss von dem zweiten Batterieteilmodul (13') zu dem ersten Batterieteilmodul (13) führt.
  2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (11) dazu ausgelegt ist, die Schalteinrichtung (26) derart ansteuern, dass in einem ersten Schaltzustand der Schalteinrichtung (26) ein elektrischer Energiefluss vom ersten Batterieteilmodul (13) zum zweiten Batterieteilmodul (13') erfolgt.
  3. Vorrichtung (2) einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (11) dazu ausgelegt ist, die Schalteinrichtung (26) derart ansteuern, dass in einem zweiten Schaltzustand der Schalteinrichtung (26) ein elektrischer Energiefluss vom zweiten Batterieteilmodul (13') zum ersten Batterieteilmodul (13) erfolgt.
  4. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (11) dazu ausgelegt ist, den ersten Schaltzustand vorzugeben, falls ein Ladezustand des ersten Batterieteilmoduls (13) größer ist als ein Ladezustand des zweiten Batterieteilmoduls (13'), und wobei die Steuervorrichtung (11) dazu ausgelegt ist, den zweiten Schaltzustand vorzugeben, falls ein Ladezustand des zweiten Batterieteilmoduls (13') größer ist als ein Ladezustand des ersten Batterieteilmoduls (13).
  5. Vorrichtung (2) nach Anspruch 2 bis 4, wobei die Steuervorrichtung (11) dazu ausgelegt ist, eine erste Zeitdauer, während der sich die Schalteinrichtung (26) in dem ersten Schaltzustand befindet, und/oder eine zweite Zeitdauer, während der sich der Schalteinrichtung (26) in dem zweiten Schaltzustand befindet, zu steuern.
  6. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (2) zumindest ein drittes Batterieteilmodul (13, 13', 13'') und zumindest ein zweites Spannungswandlungsmodul (20, 20') umfasst.
  7. Verfahren zum Ladezustandsausgleich mit den Schritten: – Bereitstellen von elektrischer Energie mittels eines Batteriesystems (10), welches eine Serienschaltung von einem ersten Batterieteilmodul (13) und einem zweiten Batterieteilmodul (13') umfasst, – elektrisches Verbinden des ersten Batterieteilmoduls (13) mit einem ersten Spannungswandlungsmodul (20'), wobei an das erste Spannungswandlungsmodul (20') eine elektrische Komponente (30) anschließbar und mit der elektrischen Energie aus dem angeschlossenen zweiten Batterieteilmodul (13') versorgbar ist und wobei das erste Spannungswandlungsmodul (20') einen Hochsetzsteller (22') aufweist, gekennzeichnet durch – Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Batterieteilmodul (13) und dem ersten Spannungswandlungsmodul (20') mittels einer Schalteinrichtung (26), wobei der Hochsetzsteller (22') eine Spule (L2) aufweist, welche mittels der Schalteinrichtung (26) elektrisch mit dem ersten Batterieteilmodul (13) zum Bilden eines Stromkreises umfassend die Schalteinrichtung (26), das erste Batterieteilmodul (13) und die Spule (L2) verbunden wird, und – Steuern eines elektrischen Energieflusses von dem ersten Batterieteilmodul (13) zu dem zweiten Batterieteilmodul (13') und/oder – Steuern eines elektrischen Energieflusses von dem zweiten Batterieteilmodul (13') zu dem ersten Batterieteilmodul (13).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Schritte: – Schalten einer elektrischen Verbindung des ersten Batterieteilmoduls (13) mit dem ersten Spannungswandlungsmodul (20') mittels der Schalteinrichtung (26), – Steuern des elektrischen Energieflusses von dem ersten Batterieteilmodul (13) zu dem ersten Spannungswandlungsmodul (20'), – Umwandeln der durch den elektrischen Energiefluss transportierten elektrischen Energie in magnetische Energie mittels der Spule (L2) und Speichern der magnetischen Energie in der Spule (L2), welche in dem ersten Spannungswandlungsmodul (20') angeordnet ist, – Schalten einer elektrischen Verbindung der Spule (L2) mit dem zweiten Batterieteilmodul (13') und – Abgeben und Umwandeln der in der Spule (L2) gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie für das zweite Batterieteilmodul (13').
  9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet durch die Schritte: – Schalten einer elektrischen Verbindung der Spule (L2) des ersten Spannungswandlungsmoduls (20') mit dem zweiten Batterieteilmodul (13'), – Umwandeln der durch den elektrischen Energiefluss transportierten elektrischen Energie aus dem zweiten Batterieteilmodul (13') in magnetische Energie mittels der Spule (L2) und Speichern der magnetischen Energie in der Spule (L2), – Schalten einer elektrischen Verbindung der Spule (L2) mit dem ersten Batterieteilmodul (13) mittels der Schalteinrichtung (26), – Steuern des Energieflusses von der Spule (L2) zu dem ersten Batterieteilmodul (13) und – Abgeben und Umwandeln der in der Spule (L2) gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie für das erste Batterieteilmodul (13).
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