DE102012213074A1

DE102012213074A1 - Leistungsversorgungssystem mit ladungsausgleich

Info

Publication number: DE102012213074A1
Application number: DE102012213074A
Authority: DE
Inventors: Werner Rössler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2013-01-31
Also published as: US8947048B2; JP5567072B2; JP2013034370A; US20130026991A1; CN102904295B; CN102904295A

Abstract

Beschrieben wird ein Leistungsversorgungssystem und ein Automobilelektriksystem mit einem solchen Leistungsversorgungssystem. Das Leistungsversorgungssystem umfasst: einen ersten Ladungsspeicher (1), der eine Reihenschaltung mit n-Ladungsspeichermodulen (21, 22, 2n) aufweist, die zwischen Lastanschlüsse (11, 12) geschaltet sind, wobei n > 1; einen zweiten Ladungsspeicher (5) mit Lastanschlüssen (51, 52); eine Ladungsübertragungsanordnung (3), die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (41, 42, 4n) aufweist, die zwischen eines der Ladungsspeichermodule (21, 22, 2n) und die Lastanschlüsse (51, 52) des zweiten Ladungsspeichers (5) geschaltet ist, wobei die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (41, 42, 4n) dazu ausgebildet ist, elektrische Ladung auf Anforderung hin von dem einen Ladungsspeichermodul (21, 22, 2n) an den zweiten Ladungsspeicher (5) zu übertragen.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein Leistungsversorgungssystem, insbesondere ein Fahrzeugleistungsversorgungssystem in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug.
Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge umfassen wenigstens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs und eine wieder aufladbare Batterie (Akkumulator), wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Doppelschichtkondensator-Anordnung zum Versorgen des wenigstens einen Motors mit elektrischer Leistung. Die Batterie umfasst üblicherweise mehrere Batteriemodule, die in Reihe geschaltet sind, wobei die einzelnen Module über das Fahrzeug verteilt und über Stromleitungen miteinander verbunden sein können.
Die einzelnen Batteriemodule erzeugen jeweils eine Modulversorgungsspannung, wobei die Versorgungsspannung der Batterie der Summe der Modulversorgungsspannungen entspricht. Aufgrund von Variationen im Herstellungsprozess der einzelnen Module können die Kapazitäten der einzelnen Batteriemodule leicht unterschiedlich sein. Dadurch können während eines Ladungsprozesses, bei dem die Batterie geladen wird, einige Batteriemodule schneller geladen werden als andere, und während eines Entladeprozesses, also dann, wenn die Batterie eine Last mit elektrischer Leistung versorgt, können einzelne Batteriemodule schneller entladen werden als andere. Die einzelnen Batteriemodule sollten nicht bis über eine obere Ladegrenze geladen werden und sollten nicht bis unter eine untere Entladegrenze entladen werden. Dadurch müsste, sofern kein Ladungsausgleich stattfindet, der Ladeprozess beendet werden, wenn ein Modul die obere Grenze erreicht, auch wenn andere Module noch nicht vollständig geladen wurden, und der Entladeprozess müsste beendet werden, wenn ein Modul die untere Grenze erreicht, auch wenn andere Module noch nicht vollständig entladen wurden. Unterschiedliche Ladezustände der einzelnen Module können auch aus einer Selbstentladung der Module resultieren.
"Ladungsausgleich" bedeutet, dass elektrische Ladung selektiv einzelnen Modulen entnommen wird oder selektiv einzelnen Modulen zugeführt wird, um Ladungsungleichheiten der einzelnen Module zu kompensieren.
Eine bekannte Ladungsausgleichsschaltung umfasst einen Transformator mit mehreren ersten Wicklungen, die jeweils an eines der Module angeschlossen sind, und mit einer zweiten Wicklung, die zwischen die Lastanschlüsse der Batterie geschaltet ist. Bei dieser Schaltung kann elektrische Energie aus einem der Module entnommen werden und kann in die Batterie zurückgeführt werden, oder Ladung kann aus der Batterie entnommen werden und kann in eines der Batteriemodule zurückgeführt werden. Bei dieser Schaltung liegt allerdings die Batteriespannung, die einige 100V, wie beispielsweise bis zu 400V, betragen kann, über der zweiten Wicklung an. Dies erfordert eine Hochspannungsisolation, die schwierig zu implementieren und kostspielig sein kann, wenn die Module über das Fahrzeug verteilt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungsversorgungssystem mit einem effizienten, flexiblen und leicht zu realisierendem Ladungsausgleich und ein Automobilelektriksystem (Fahrzeugelektriksystem) mit einem solchen Leistungsversorgungssystem zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungsversorgungssystem gemäß Anspruch 1 und durch ein Fahrzeugelektriksystem gemäß Anspruch 16 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprühen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Leistungsversorgungssystem. Dieses Leistungsversorgungssystem umfasst einen ersten Ladungsspeicher mit Lastanschlüssen und mit n Ladungsspeichermodulen, wobei n > 1, die zwischen die Lastanschlüsse geschaltet ist, und einen zweiten Ladungsspeicher mit Lastanschlüssen. Das Leistungsversorgungssystem umfasst außerdem eine Ladungsübertragungsanordnung mit wenigstens einer Ladungsübertragungseinheit, die zwischen eines der Ladungsspeichermodule und die Lastanschlüsse des zweiten Ladungsspeichers geschaltet ist. Die Ladungsübertragungseinheit ist dazu ausgebildet, auf Anforderung hin, elektrische Ladung von dem einen Ladungsspeichermodul zu dem zweiten Ladungsspeicher zu übertragen.
Ein zweiter Aspekt betrifft ein Automobilelektriksystem mit einem Leistungsversorgungssystem. Das Leistungsversorgungssystem umfasst außerdem eine Ladungsübertragungsanordnung mit wenigstens einer Ladungsübertragungseinheit, die zwischen eines der Ladungsspeichermodule und die Lastanschlüsse des zweiten Ladungsspeichers geschaltet ist. Die Ladungsübertragungseinheit ist dazu ausgebildet, auf Anforderung hin, elektrische Ladung von dem einen Ladungsspeichermodul zu dem zweiten Ladungsspeicher zu übertragen. Das Automobilelektriksystem umfasst außerdem wenigstens eine erste Last, die an die Lastanschlüsse des ersten Ladungsspeichers angeschlossen ist, und wenigstens eine zweite Last, die an die Lastanschlüsse des zweiten Ladungsspeichers angeschlossen ist.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur solche Merkmale dargestellt sind, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben ist, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungsversorgungssystems, das einen ersten Ladungsspeicher mit mehreren Ladungsspeichermodulen, einen zweiten Ladungsspeicher und eine Ladungsübertragungsanordnung aufweist;
2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Ladungsübertragungsmoduls der Ladungsübertragungsanordnung;
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung des Ladungsübertragungsmoduls gemäß 2;
4 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Signalkommunikation zwischen der Steuerschaltung und Ladungsübertragungsmodulen;
5 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Signalkommunikation zwischen der Steuerschaltung und den Ladungsübertragungsmodulen;
6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Leistungsversorgungssystems, das einen DC/DC-Wandler aufweist, der zwischen dem ersten Ladungsspeicher und dem zweiten Ladungsspeicher angeordnet ist;
7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des DC/DC-Wandlers;
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ladungsspeichermoduls des ersten Ladungsspeichers;
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungsversorgungssystems, das Ladungsausgleichsschaltungen der einzelnen Ladungsspeichermodule des ersten Ladungsspeichers aufweist; und
10 veranschaulicht die Verbindung einer Ladungsausgleichsschaltung zu einem Ladungsspeichermodul im Detail.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend in einem speziellen Zusammenhang, nämlich im Zusammenhang mit einem Fahrzeugleistungsversorgungssystem beschrieben. Allerdings sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht darauf beschränkt, im Zusammenhang mit einem Fahrzeugleistungsversorgungssystem verwendet zu werden, sondern Ausführungsbeispiele der Erfindung können in jeder Anwendung verwendet werden, die einen wiederaufladbaren Ladungsspeicher mit mehreren Ladungsspeichermodulen aufweist.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungsversorgungssystems. Das Leistungsversorgungssystem umfasst einen ersten Ladungsspeicher 1 mit mehreren, nämlich mit n, wobei n > 1, Ladungsspeichermodulen 2 ₁, 2 ₂, 2 _n, die in Reihe zwischen Lastanschlüsse 11, 12 des ersten Ladungsspeichers 1 geschaltet sind. Der erste Ladungsspeicher 1 stellt eine erste Versorgungsspannung V1 zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 zur Verfügung, wobei die erste Versorgungsspannung V1 die Summe der einzelnen Modulversorgungsspannungen V2₁, V2₂, V2_n ist, die zwischen Ausgangsanschlüssen der einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n zur Verfügung stehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die durch jedes Ladungsspeichermodul 2 ₁, 2 ₂, 2 _n bereitgestellte Ausgangsspannung eine Spannung zwischen 40V und 60V, wenn die einzelnen Module vollständig geladen sind. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Ladungsspeichermodule ist abhängig von der gewünschten Ladungsspeicherausgangsspannung V1. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist diese Ausgangsspannung V1 zwischen 350V und 450V, so dass beispielsweise zwischen 8 und 12 Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n in Reihe geschaltet sind. Zu Zwecken der Erläuterung sind in 1 lediglich drei Ladungsspeichermodule dargestellt.
Der erste Ladungsspeicher 1 ist beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie mit mehreren Batteriemodulen, die die einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n bilden, wobei jedes Batteriemodul mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweisen kann. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Ladungsspeicher 1 eine Anordnung mit mehreren Kondensatoren, wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren, wobei jedes Modul 2 ₁, 2 ₂, 2 _n mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweisen kann. Doppelschichtkondensatoren (Superkondensatoren, Ultrakondensatoren) weisen eine hohe Kapazität bei einem geringen Bauelementvolumen auf.
Das Leistungsversorgungssystem ist beispielsweise ein Fahrzeugleistungsversorgungssystem, das in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug verwendet werden kann. Eine durch die Ladungsspeicherausgangsspannung V1 versorgte Last Z1 ist beispielsweise eine Motoreinheit mit einem Elektromotor und einem Umrichter. Die einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n können an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein, wobei die einzelnen Module über Stromleitungen elektrisch miteinander verbunden sind.
Der erste Ladungsspeicher 1 kann durch Anschließen eines Ladegeräts (nicht dargestellt) an die Lastanschlüsse 11, 12 aufgeladen werden. Das Aufladen eines Ladungsspeichers, wie beispielsweise des in 1 dargestellten ersten Ladungsspeichers 1, ist allgemein bekannt, so dass diesbezüglich keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.
Bezugnehmend auf 1 umfasst das Leistungsversorgungssystem außerdem einen zweiten Ladungsspeicher 5 mit Lastanschlüssen 51, 52. Der zweite Ladungsspeicher 5 stellt eine zweite Ladungsspeicherversorgungsspannung V5 zwischen seinen Lastanschlüssen 51, 52 zur Verfügung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die zweite Ladungsspeicherversorgungsspannung V5 geringer als die erste Ladungsspeicherversorgungsspannung V1. Die zweite Ladungsspeicherversorgungsspannung V5 ist beispielsweise eine Spannung zwischen 10V und 15V oder zwischen 10V und 14V. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Ladungsspeicher V5 eine herkömmliche Fahrzeugbatterie, die beispielsweise eine Versorgungsspannung von etwa 12V bereitstellt, wenn sie vollständig geladen ist.
Jedes der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n besitzt eine Kapazität. Die Kapazität eines Ladungsspeichermoduls ist dessen Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern. Aufgrund von Variationen im Herstellungsprozess der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n können die Kapazitäten der einzelnen Module (leicht) unterschiedlich sein. Dadurch können einige Ladungsspeichermodule während eines Ladeprozesses schneller als andere geladen werden, und während eines Entladeprozesses können einige Speichermodule schneller als andere entladen werden. Während eines Ladeprozesses lädt eine Ladeschaltung (nicht dargestellt) den ersten Ladungsspeicher 1 über die Lastanschlüsse 11, 12. In einem Entladeprozess stellt der erste Ladungsspeicher 1 elektrische Leistung an die Last oder die Lastanordnung Z1, die an die Lastanschlüsse 11, 12 angeschlossen ist, zur Verfügung. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die in 1 dargestellte Last Z1 mehrere parallel geschaltete und jeweils an die Lastanschlüsse 11, 12 des ersten Ladungsspeichers 1 angeschlossene Lasten repräsentieren kann.
Die einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n sollten nicht bis unter eine untere Ladezustandsgrenze entladen werden und sollten nicht bis über einer obere Ladezustandsgrenze geladen werden. Die untere Grenze ist beispielsweise definiert durch eine minimale Versorgungsspannung, die durch ein Ladungsspeichermodul 2 ₁, 2 ₂, 2 _n bereitgestellt werden kann, und die obere Grenze ist beispielsweise definiert durch eine maximale Versorgungsspannung, die durch die einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n bereitgestellt werden kann. Aufgrund der erwähnten Unterschiede der einzelnen Kapazitäten der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n können Situationen auftreten, bei denen ein Ladungsspeichermodul bereits seine untere Grenze erreicht hat, während andere Module noch weit von der unteren Grenze entfernt sind, und Situationen können auftreten, bei denen ein Modul bereits die obere Grenze erreicht hat, während andere noch weit von der oberen Grenze entfernt sind. Unterschiedliche Ladezustände der einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n können auch aus einer Selbstentladung der Ladungsspeichermodule resultieren.
Um in der Lage zu sein, die Gesamtkapazität des ersten Ladungsspeichers 1 in effizienter Weise zu nutzen, ist es wünschenswert, die Ladezustände der einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n auszugleichen. Ein Ladezustand eines Ladungsspeichermoduls ist beispielsweise definiert durch die Modulversorgungsspannung V2₁, V2₂, V2_n, die durch ein Modul zur Verfügung gestellt wird, wobei der Ladezustand eines Moduls abnimmt, wenn die durch das Modul bereitgestellte Versorgungsspannung abnimmt. Wenn die Ladezustände der einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ausgeglichen sind, nähern sich die Module 2 ₁, 2 ₂, 2 _n gemeinsam deren jeweiligen unteren Grenzen in einem Entladeprozess und nähern sich gemeinsam deren jeweiligen oberen Grenzen in einem Ladeprozess an.
Um die Ladezustände der einzelnen Ladungsspeichermodule 1 ₁, 2 ₂, 2 _n ausgleichen zu können, umfasst das Leistungsversorgungssystem eine Ladungsübertragungsanordnung 3, die zwischen den ersten Ladungsspeicher 1 und den zweiten Ladungsspeicher 5 geschaltet ist. Die Ladungsübertragungsanordnung 3 umfasst wenigstens ein Ladungsübertragungsmodul 4 ₁, 4 ₂, 4 _n bzw. eine Ladungsübertragungseinheit 4 ₁, 4 ₂, 4 _n. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Ladungsübertragungsanordnung 3 n Ladungsübertragungsmodule, so dass jedem Ladungsspeichermodul 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ein Ladungsübertragungsmodul 4 ₁, 4 ₂, 4 _n zugeordnet ist. Dies is allerdings lediglich ein Beispiel. Es ist auch möglich, nur einigen, und nicht allen der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ein Ladungsübertragungsmodul 4 ₁, 4 ₂, 4 _n zuzuordnen. Die Ladungsübertragungsanordnung 3 ist dazu ausgebildet, selektiv elektrische Ladung von einem Ladungsspeichermodul an den zweiten Ladungsspeicher 5 zu übertragen, so dass das Ladungsspeichermodul, dem elektrische Ladung (elektrische Energie) entnommen wird, in einem bestimmten Umfang entladen wird. Die Ladungsübertragungsanordnung 3 ist beispielsweise dazu ausgebildet, die Versorgungsspannungen V2₁, V2₂, V2_n der einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n zu überwachen und Ladung von dem Ladungsspeichermodul an den zweiten Ladungsspeicher 5 zu übertragen, das momentan die höchste Versorgungsspannung aufweist. Hierdurch können die Ladungszustände der einzelnen Ladungsspeichermodule ausgeglichen werden.
Obwohl die Ladungsübertragungsschaltung 3 nur in der Lage ist, den einzelnen Ladungsspeichermodulen 2 ₁, 2 ₂, 2 _n Energie zu entnehmen (diese zu entladen), um die Ladezustände anzugleichen, und obwohl die einem Ladungsspeichermodul entnommene Energie weder in ein anderes Ladungsspeichermodul des ersten Ladungsspeichers 1 noch in den ersten Ladungsspeicher 1 über die Lastanschlüsse 11, 12 zurückgeführt wird, wird keine Energie verschwendet. Die einem der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n entnommene Energie wird in dem zweiten Ladungsspeicher 5 gespeichert und wird dadurch zum Versorgen der an den zweiten Ladungsspeicher 5 angeschlossenen Last bzw. der Lastanordnung Z2 verwendet. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die in 1 dargestellte Last Z2 mehrere an den zweiten Ladungsspeicher 5 angeschlossene Lasten repräsentieren kann. In einem Fahrzeigleistungsversorgungssystem können die an den zweiten Ladungsspeicher 5 angeschlossenen Lasten Z2 beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Lasten aufweisen: Motoren für elektrische Fensterheber, elektrische Sitzverstellungen oder Lüfter; Heiz- oder Kühlelemente eines Klimatisierungssystems; Sensoren; Beleuchtung; oder ähnliches. Zusätzlich kann ein Generator (nicht dargestellt) an die Lastanschlüsse 51, 52 des zweiten Ladungsspeichers 5 angeschlossen sein. Der Generator kann dazu dienen, den zweiten Ladungsspeicher 5 wieder aufzuladen.
Bezugnehmend auf 1 kann die Ladungsübertragungsanordnung 3 eine Steuerschaltung 31 aufweisen, die über einen Signalkommunikationspfad in Signalverbindung mit den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n steht. Der Signalkommunikationspfad zwischen der Steuerschaltung 31 und den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n kann ein herkömmlicher Signalkommunikationspfad sein, der für eine Signalkommunikation zwischen der Steuerschaltung 31 und jedem der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n und für eine Signalkommunikation zwischen jedem der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n und der Steuerschaltung 31 ausgebildet ist. Dieser Signalkommunikationspfad ist in 1 nur schematisch dargestellt. Jedes der Ladungsspeichermodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n ist beispielsweise dazu ausgebildet, die Versorgungsspannung V2₁, V2₂, V2_n des zugehörigen Ladungsspeichermoduls 2 ₁, 2 ₂, 2 _n zu messen und ist dazu ausgebildet, eine Information über diese Versorgungsspannung an die Steuerschaltung 31 über den Signalkommunikationspfad zu liefern. Die Steuerschaltung 31 ist beispielsweise dazu ausgebildet, die Versorgungsspannungen abhängig von der von den Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n erhaltenen Information zu überwachen und ist dazu ausgebildet, eines der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n, wie beispielsweise das Ladungsübertragungsmodul 4 ₁, 4 ₂, 4 _n, das an das Ladungsspeichermodul 2 ₁, 2 ₂, 2 _n mit dem höchsten Ladezustand angeschlossen ist, aufzufordern, Energie von dem zugehörigen Speichermodul an den zweiten Ladungsspeicher 5 zu übertragen.
2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Ladungsübertragungsmoduls. Das Bezugszeichen 4 in 2 repräsentiert eines der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n, die in 1 dargestellt sind. Das Bezugszeichen 2 in 2 repräsentiert das an dieses Ladungsübertragungsmodul 4 angeschlossene Ladungsspeichermodul. Es sei erwähnt, dass die einzelnen Ladungsübertragungsmodule die gleiche Topologie aufweisen können, wie beispielsweise die in 2 dargestellt Topologie.
Das in 2 dargestellte Ladungsübertragungsmodul 4 ist als Sperrwandler ausgebildet und umfasst einen Transformator 45 mit einer ersten Wicklung (Primärwicklung) 45 ₁ und einer zweiten Wicklung (Sekundärwicklung) 45 ₂. Die erste Wicklung 45 ist in Reihe zu einem elektronischen Schalter 46 geschaltet, wobei die Reihenschaltung mit dem elektronischen Schalter 46 und der ersten Wicklung 45 ₁ zwischen die Eingangsanschlüsse 41, 42 des Ladungsübertragungsmoduls 4 geschaltet ist. Die Eingangsanschlüsse 41, 42 des Ladungsübertragungsmoduls 4 sind an die Lastanschlüsse 21, 22 des zugehörigen Ladungsspeichermoduls angeschlossen, wobei ein erster Eingangsanschluss 41 an den ersten Lastanschluss 21 und ein zweiter Eingangsanschluss 42 an den zweiten Lastanschluss 22 angeschlossen ist. Die Lastanschlüsse der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n sind die Anschlüsse, die dazu verwendet werden, die einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n in Reihe zu schalten, wobei der erste Anschluss eines Moduls an den zweiten Anschluss eines anderen Moduls angeschlossen ist. Der erste Anschluss eines der Module, wie beispielsweise eines ersten Moduls 2 ₁ in 1, bildet den ersten Lastanschluss 11 des ersten Ladungsspeichers 1 und ein zweiter Anschluss eines anderen Moduls, wie beispielsweise des n-ten Moduls 2 _n in 1 bildet den zweiten Lastanschluss 12 des ersten Ladungsspeichers 1.
Bezugnehmend auf 2 ist die zweite Wicklung 45 ₂ über ein Gleichrichterelement 47, wie beispielsweise eine Diode, an die Lastanschlüsse 51, 52 des zweiten Ladungsspeichers 5 angeschlossen. Insbesondere ist eine Reihenschaltung mit der zweiten Wicklung 45 ₂ und der Diode 47 parallel zu dem zweiten Ladungsspeicherelement 5 über die Lastanschlüsse 51, 52 des zweiten Ladungsspeichers 5 geschaltet. Eingangsanschlüsse 43, 44 sind an die Lastanschlüsse 51, 52 zwischen dem zweiten Ladungsspeicher 5 und der Reihenschaltung mit der zweiten Wicklung 45 ₂ und der Diode 47 angeschlossen.
Der in Reihe zu der ersten Wicklung 45 ₁ geschaltete elektronische Schalter 46 kann als MOSFET, insbesondere als selbstsperrender MOSFET ausgebildet sein. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Der elektronische Schalter 46 könnte auch als ein beliebiger anderer herkömmlicher elektronischer Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise als selbstleitender MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder als Sperrschichttransistor (BJT, Bipolar Junction Transistor). Der elektronische Schalter 46 umfasst eine Laststrecke, die in Reihe zu der ersten Wicklung 45 ₁ geschaltet ist, und einen Steueranschluss. Wenn der elektronische Schalter 46 als MOSFET ausgebildet ist, ist die Laststrecke ein interner Pfad des MOSFET zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss, und der Steueranschluss ist der Gateanschluss.
Das Ladungsübertragungsmodul 4 umfasst außerdem eine Steuer- und Ansteuereinheit 6. Die Steuer- und Ansteuereinheit 6 ist dazu ausgebildet, den elektronischen Schalter 46 anzusteuern, d. h. den elektronischen Schalter 46 ein- und auszuschalten. Außerdem steht die Steuer- und Ansteuereinheit 46 über den Signalkommunikationspfad in Signalkommunikation mit der Steuerschaltung 31, die in 2 ebenfalls dargestellt ist. Dieser Signalkommunikationspfad ist in 2 lediglich schematisch dargestellt. Außerdem ist die Steuer- und Ansteuereinheit 6 dazu ausgebildet, die durch das Ladungsspeichermodul 2 bereitgestellte Versorgungsspannung V2 zu messen. Hierzu sind die Eingangsanschlüsse 61, 62 der Steuer- und Ansteuereinheit 6 an die Eingangsanschlüsse 41, 42 des Ladungsübertragungsmoduls 4 angeschlossen. Zum Ansteuern des elektronischen Schalters 46 umfasst die Steuer- und Ansteuereinheit 6 einen Ansteueranschluss 43, der an den Steueranschluss des elektronischen Schalters 46 gekoppelt ist.
Das Ladungsübertragungsmodul 4 kann durch die Steuerschaltung 31 über den Signalkommunikationspfad aktiviert und deaktiviert werden. Im aktivierten Zustand überträgt das Ladungsübertragungsmodul 4 elektrische Ladung (Energie) von dem Ladungsübertragungsmodul 2 an den zweiten Ladungsspeicher 5.
Das Funktionsprinzip des Ladungsübertragungsmoduls 4 im aktivierten Zustand ist nachfolgend erläutert.
Im aktivierten Zustand des Ladungsübertragungsmoduls 4 wird der elektronische Schalter 46 zyklisch ein- und ausgeschaltet. Wenn der elektronische Schalter 46 eingeschaltet ist, fließt ein Strom durch die erste Wicklung 45 ₁, so dass Energie magnetisch in der ersten Wicklung 45 ₁ des Transformators 45 gespeichert wird. Wenn der elektronische Schalter 46 nachfolgend ausgeschaltet wird, wird die in der Primärwicklung 45 ₁ gespeicherte Energie an die zweite Wicklung 45 ₂ übertragen, wobei diese an die zweite Wicklung 45 ₂ übertragene Energie einen Stromfluss von der zweiten Wicklung 45 ₂ über das Gleichrichterelement 47 in dem zweiten Ladungsspeicher 5 bewirkt. Das Gleichrichterelement 47 ist so verschaltet, dass der zweite Ladungsspeicher 5 nicht über die zweite Wicklung 45 ₂ entladen werden kann. Die erste Wicklung 45 ₁ und die zweite Wicklung 45 ₂ weisen einen entgegengesetzten Wicklungssinn auf.
In jedem Ansteuerzyklus wird elektrische Energie von dem Ladungsspeichermodul 2 an den zweiten Ladungsspeicher 5 übertragen, wobei ein Ansteuerzyklus eine Einschaltperiode (Ein-Periode) des elektronischen Schalters 46 und eine Ausschaltperiode (Aus-Periode) des elektronischen Schalters 46 aufweist. Die Dauer der Ein-Perioden und der Aus-Perioden kann auf verschiedene Weise gesteuert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Dauer der Ein-Perioden und der nachfolgenden Aus-Perioden fest vorgegeben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Dauer der Ein-Perioden fest vorgegeben und die Dauer der Aus-Perioden ist abhängig von einem Magnetisierungszustand des Transformators 45, wobei die Aus-Perioden beispielsweise jeweils dann enden (und eine neue Ein-Periode beginnt), wenn der Transformator entmagnetisiert wurde.
Eine Zeitdauer, für die ein Ladungsübertragungsmodul 4 aktiviert ist, kann auf verschiedene Weise gesteuert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Dauer, für die ein Ladungsübertragungsmodul 4 aktiviert ist, konstant. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist diese Dauer beispielsweise abhängig von einer Änderungsgeschwindigkeit der Versorgungsspannung V2. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 31 dazu ausgebildet, das Ladungsübertragungsmodul 4 solange zu aktivieren, wie nötig ist, um die Versorgungsspannung V2 um einen vorgegebenen Spannungswert zu verringern. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Modul solange aktiviert, wie notwendig ist, eine vorgegebene Energie von einem Modul 2 ₁, 2 ₂, 2 _n zu dem zweiten Ladungsspeicher 5 zu übertragen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ermittelt die Steuerschaltung 31 die Ladezustände der einzelnen Module 2 ₁, 2 ₂, 2 _n nur basierend auf den Versorgungsspannungen V2₁, V2₂, V2_n. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden andere Parameter, wie beispielsweise die Kapazitäten der einzelnen Module 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ebenfalls berücksichtigt.
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Steuer- und Ansteuereinheit 6 eines Ladungsübertragungsmoduls 4. Es sei erwähnt, dass das Blockschaltbild gemäß 3 lediglich das Funktionsprinzip der Steuer- und Ansteuereinheit 6 und nicht dessen Implementierung veranschaulicht. Die einzelnen Funktionsblöcke gemäß 3 können auf vielfältige unterschiedliche Weise implementiert werden, wie beispielsweise unter Verwendung spezifischer integrierter Schaltungen, eines Mikrocontrollers, auf dem Software läuft, oder ähnliches.
Bezugnehmend auf 3 umfasst die Steuer- und Ansteuereinheit 6 eine Schnittstelleneinheit 66, die an den Signalpfad gekoppelt ist, der die Steuerschaltung 31 (die in 3 ebenfalls dargestellt ist) mit den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen 4 verbindet. Die spezielle Implementierung der Schnittstelleneinheit 66 ist abhängig von der Art des Signalpfads zwischen der Steuerschaltung 31 und den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen 4. Ausführungsbeispiele der Signalpfade sind anhand der 4 und 5 nachfolgend noch erläutert.
Die Steuer- und Ansteuereinheit 6 umfasst außerdem eine Ansteuereinheit 64, die an die Schnittstelleneinheit 66 gekoppelt ist, um ein Aktivierungssignal S_ACT zu erhalten, und die an den Ansteueranschluss 66 gekoppelt ist, um ein Ansteuersignal S_DRV an den elektronischen Schalter 46 zu liefern (der in 3 ebenfalls dargestellt ist). Außerdem umfasst die Steuer- und Ansteuereinheit 6 eine Spannungsmesseinheit 65, die zwischen die Eingangsanschlüsse 61, 62 gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, ein Spannungsmesssignal S65, das die gemessene Ladungsspeichermodulspannung repräsentiert, an die Schnittstelleneinheit 66 zu liefern.
Das Aktivierungssignal S_ACT kann einen von zwei unterschiedlichen Signalpegeln annehmen, nämlich einen Aktivierungssignalpegel, der die Ansteuereinheit 64 aktiviert, und einen Deaktivierungssignalpegel, der die Ansteuereinheit 64 deaktiviert. Wenn die Ansteuereinheit 64 aktiviert ist, schaltet sie den elektronischen Schalter 64 zyklisch ein und aus, um elektrische Ladung von dem zugehörigen Ladungsspeichermodul an den zweiten Ladungsspeicher 5 zu übertragen. Die Schnittstelleneinheit 66 erzeugt den Aktivierungssignalpegel und den Deaktivierungssignalpegel des Aktivierungssignals S_ACT abhängig von der Signalinformation, die die Schnittstelleneinheit 66 von der Steuerschaltung 31 erhält. Die in dem Messsignal S65 enthaltene Versorgungsspannungsinformation wird über die Schnittstelleneinheit 66 an die Steuerschaltung 31 weitergeleitet.
Der Signalpfad für die Signalkommunikation zwischen der Steuerschaltung 31 und den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen kann ein herkömmlicher Signalpfad oder Signalkommunikationspfad sein, der geeignet ist, Informationen zwischen einzelnen Modulen in einem elektronischen System zu übertragen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel zum Realisieren einer Signalkommunikation zwischen der Steuerschaltung 31 und den Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n ist in 4 schematisch dargestellt. 4 veranschaulicht die Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n des Leistungsversorgungssystems und die Steuer- und Ansteuereinheiten 6 ₁, 6 ₂, 6 _n mit den Schnittstelleneinheiten 66 ₁, 66 ₂, 66 _n des Leistungsversorgungssystems. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Signalleitungen oder Signalpfade zwischen die Steuerschaltung 31 und die Schnittstelleneinheiten 66 ₁, 66 ₂, 66 _n jedes der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n geschaltet. Diese Signalleitungen können bidirektionale Signalleitungen sein, die eine Signalkommunikation von der Steuerschaltung 31 an die Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n ermöglichen, um eines der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n zu aktivieren, und die eine Signalkommunikation von den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n an die Steuerschaltung 31 ermöglichen, um eine Information über die jeweilige Ladungsspeichermodulspannung an die Steuerschaltung 31 weiterzuleiten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind wenigstens zwei unidirektionale Signalpfade zwischen die Steuerschaltung 31 und jedes der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n geschaltet. Einer dieser Signalpfade zwischen der Steuerschaltung 31 und einem der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n ermöglicht die Signalkommunikation von der Steuerschaltung 31 an das Ladungsübertragungsmodul, während der andere Signalpfad die Signalkommunikation von dem Ladungsübertragungsmodul an die Steuerschaltung 31 ermöglicht. Außerdem sind Levelshifter (Pegelschieber) 32 ₁, 32 ₂, 32 _n zwischen die Steuerschaltung und die einzelnen Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n geschaltet. Ein beliebiges Übertragungsprotokoll kann für die Signalkommunikation zwischen der Steuerschaltung 31 und den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n implementiert sein.
5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Realisieren einer Signalkommunikation zwischen der Steuerschaltung 31 und den einzelnen Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Leistungsversorgungssystem einen Kommunikationsbus, der an die Steuerschaltung 31 und an jedes der Ladungsübertragungsmodule 4 ₁, 4 ₂, 4 _n angeschlossen ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 verbindet dieser Bus die Steuerschaltung 31 mit einem ersten 4 ₁ der Ladungsübertragungsmodule, verbindet das erste Modul 4 ₁ mit dem zweiten Modul 4 ₂, usw. Die Steuerschaltung 31 ist an ein erstes Ende des Busses angeschlossen und ein letztes Modul 4 _n der Modulkette ist an das zweite Ende des Busses angeschlossen. Dieser Bus kann als Daisy-Chain-Bus ausgebildet sein. Optional ist der Kommunikationsbus als Ringbus ausgebildet, so dass das letzte Modul 4n in der Reihenschaltung über einen Levelshifter 32 an die Steuerschaltung 31 angeschlossen ist. Ein beliebiges herkömmliches Busprotokoll, das geeignet ist, Informationen über einen Bus zwischen elektronischen Modulen in einem elektronischen System zu übertragen, kann im Zusammenhang mit dem in 5 dargestellten Bus implementiert werden.
6 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungsversorgungssystems. Bei diesem Leistungsversorgungssystem ist ein DC/DC-Wandler 7 zwischen die Lastanschlüsse 11, 12 des ersten Ladungsspeichers 1 und die Lastanschlüsse 51, 52 des zweiten Ladungsspeichers 5 geschaltet. Der DC/DC-Wandler 7 ist dazu ausgebildet, den zweiten Ladungsspeicher 5 durch Entnehmen von Energie aus dem ersten Ladungsspeicher 1 zu laden. Der DC/DC-Wandler 7 weist Eingangsanschlüsse 71, 72 auf, die an die Lastanschlüsse 11, 12 des ersten Ladungsspeichers 1 gekoppelt sind, und Ausgangsanschlüsse 73, 74, die an die Lastanschlüsse 51, 52 des zweiten Ladungsspeichers 5 gekoppelt sind.
Der DC/DC-Wandler 7 kann als herkömmlicher DC/DC-Wandler ausgebildet sein, insbesondere als DC/DC-Wandler mit einer Potentialbarriere zwischen dem ersten Ladungsspeicher 1 und dem zweiten Ladungsspeicher 5. Die Potentialbarriere wird benötigt, wenn die ersten und zweiten Ladungsspeicher 1, 5 nicht dasselbe Bezugspotential aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bezugspotential des ersten Ladungsspeichers 5, welches das elektrische Potential an dem zweiten Anschluss 52 ist, Massepotential des Fahrzeugs, während das elektrische Potential an dem zweiten Anschluss 12 des ersten Ladungsspeichers 1 0,5·V1, also die halbe Versorgungsspannung V1 des ersten Ladungsspeichers 1, unterhalb von Massepotential liegen kann.
Lediglich zu Zwecken der Erläuterung ist in 7 ein Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers mit Potentialbarriere dargestellt. Der in 7 dargestellte DC/DC-Wandler ist als Sperrwandler ausgebildet und umfasst einen ersten elektronischen Schalter 75 und einen Transformator 76 mit einer Primärwicklung 76 ₁ und einer Sekundärwicklung 76 ₂. Die Primärwicklung 76 ₁ und die Sekundärwicklung 76 ₂ weisen einen entgegengesetzten Wicklungssinn auf. Der erste elektronische Schalter 75 ist in Reihe zu der Primärwicklung 75 ₁ geschaltet und die Reihenschaltung mit dem ersten elektronischen Schalter 75 und der Primärwicklung 76 ₁ ist zwischen die Eingangsanschlüsse 71, 72 geschaltet. Der elektronische Schalter 75 kann als herkömmlicher elektronischer Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise als MOSFET, als IGBT oder als Sperrschichttransistor (BJT).
Die Sekundärwicklung 76 ₂ ist an Ausgangsanschlüsse 73, 74 des Wandlers 7 über eine Gleichrichteranordnung gekoppelt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Gleichrichteranordnung eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 77, wie beispielsweise eine Diode (wie dargestellt) oder ein Synchrongleichrichter (nicht dargestellt), und mit einem Kondensator 78, wobei der Kondensator 78 an die Ausgangsanschlüsse 73, 74 angeschlossen ist. Selbstverständlich kann auch eine beliebige andere Art von Gleichrichteranordnung, die in einem Sperrwandler verwendet werden kann, anstatt der Gleichrichteranordnung mit der Diode 77 und dem Kondensator 78 verwendet werden.
Der DC/DC-Wandler umfasst außerdem eine Ansteuerschaltung 79, die dazu ausgebildet ist, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal S75 an einen Steueranschluss des elektronischen Schalters 75 zu liefern. Der Ansteuerschaltung 79 ist ein Ausgangsspannungssignal S_V5 zugeführt, das abhängig ist von der Ausgangsspannung V5 des zweiten Ladungsspeichers 5, und die Ansteuerschaltung 79 ist dazu ausgebildet, ein Tastverhältnis (Duty Cycle) des Ansteuersignals S75 so zu erzeugen, dass die Ausgangsspannung V5 so geregelt wird, dass sie einen vorgegebenen Sollwert annimmt. Das Ausgangsspannungssignal S_V5 kann in herkömmlicher Weise durch Messen der Ausgangsspannung V5 erzeugt werden. Die Ansteuerschaltung 79 kann als herkömmlicher PWM-Controller realisiert sein, der dazu ausgebildet ist, ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal S75 abhängig von einem Spannungsmesssignal, wie beispielsweise dem Spannungsmesssignal S_V5, und einem Sollwert zu erzeugen. Solche PWM-Controller sind allgemein bekannt, so dass diesbezüglich keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.
Das Leistungsversorgungssystem gemäß 6 kann so ausgebildet sein, dass der zweite Ladungsspeicher 5 nur über den DC/DC-Wandler 7 aus dem ersten Ladungsspeicher 1 geladen wird. In diesem Leistungsversorgungssystem muss Energie von dem ersten Ladungsspeicher 1 an den zweiten Ladungsspeicher 5 übertragen werden, wenn der zweite Ladungsspeicher 5 an seine Lastanschlüsse 51, 52 angeschlossene Lasten versorgt, so dass der zweite Ladungsspeicher 5 entladen wird (Lasten, die an die Lastanschlüsse 11, 12 des ersten Ladungsspeichers 1 und die Lastanschlüsse 51, 52 des zweiten Ladungsspeichers 5 angeschlossen sind, sind in 6 nicht dargestellt). Bei diesem System versorgen der DC/DC-Wandler 7 und die Ladungsübertragungsanordnung 3 den zweiten Ladungsspeicher 5 mit Energie, wobei die durch die Ladungsübertragungsanordnung 3 bereitgestellte Energie oder Leistung abhängig davon variieren kann, ob die Ladezustände der einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n unausgeglichen oder ausgeglichen sind. Wenn die Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n stark unausgeglichen sind, kann ein Teil der Leistung, die der zweite Ladungsspeicher 5 von dem ersten Ladungsspeicher erhält, über die Ladungsübertragungsanordnung 3 geliefert werden, wobei der Rest der von dem zweiten Ladungsspeicher 5 benötigten Leistung von dem ersten Ladungsspeicher 1 über dem DC/DC-Wandler 7 geliefert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der DC/DC-Wandler 7 weggelassen und es gibt keine anderen Generatoren in dem System, die den zweiten Ladungsspeicher 5 aufladen. In diesem Fall wird der zweite Ladungsspeicher 5 nur über die Ladungsübertragungsanordnung 3 aufgeladen. In diesem Fall erhält die Ladungsübertragungsanordnung 3 das Ausgangsspannungssignal S_V5. Außerdem überträgt die Ladungsübertragungsanordnung 3 abhängig von dem Ausgangsspannungssignal S_V5 Ladung von dem ersten Ladungsspeicher 1 an den zweiten Ladungsspeicher 5. Wenn die einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n beispielsweise ausgeglichen sind, kann die Ladungsübertragungsanordnung 3 Energie zyklisch von den einzelnen Ladungsspeichermodulen 2 ₁, 2 ₂, 2 _n an den zweiten Ladungsspeicher 5 übertragen.
8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Ladungsspeichermoduls 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Ladungsspeichermodul 2 mehrere Ladungsspeicherzellen 81, 82, 83, 8n, die in Reihe geschaltet sind. Jede dieser Ladungsspeicherzellen kann mehrere parallel geschaltete Unterzellen aufweisen. Die Ladungsspeicherzellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen.
9 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungsversorgungssystems. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist wenigstens eines der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ein Ladungsausgleichsmodul 9 ₁, 9 ₂, 9 _n einer weiteren daran angeschlossenen Ladungsausgleichsschaltung 8 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 weist jedes der Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n ein daran angeschlossenes Ladungsausgleichsmodul 9 ₁, 9 ₂, 9 _n auf. Dies ist allerdings nur ein Beispiel. Ladungsausgleichsmodule 9 ₁, 9 ₂, 9 _n könnten auch nur bei einigen, und nicht bei allen Ladungsspeichermodulen 2 ₁, 2 ₂, 2 _n vorgesehen sein. Die einzelnen Ladungsausgleichsmodule 9 ₁, 9 ₂, 9 _n sind dazu ausgebildet, die Ladezustände der einzelnen Ladungsspeicherzellen innerhalb der einzelnen Ladungsspeichermodule 2 ₁, 2 ₂, 2 _n auszugleichen.
10 zeigt schematisch ein Ladungsspeichermodul 2 mit Ladungsspeicherzellen (Ladungsspeicher-Untermodulen) 81, 82, 83, 8n und einem an das Ladungsspeichermodul 2 angeschlossenen Ladungsausgleichsmodul 9. Das Ladungsausgleichsmodul 9 ist an jede der Ladungsspeicherzellen 81, 82, 83, 8n angeschlossen, ist dazu ausgebildet, die Ladezustände der einzelnen Ladungsspeicherzellen 81, 82, 83, 8n zu detektieren und ist dazu ausgebildet, die Ladezustände dieser Ladungsspeicherzellen 81, 82, 83, 8n auszugleichen. Das Ladungsausgleichsmodul 9 kann ein herkömmliches Ladungsausgleichsmodul sein, das dazu ausgebildet ist, die Ladezustände der in Reihe geschalteten Ladungsspeicherzellen auszugleichen. Das Ladungsausgleichsmodul 9 kann dazu ausgebildet sein, gemäß einem von mehreren bekannten Ladungsausgleichsmechanismen zu arbeiten. Gemäß einem Ladungsausgleichsmechanismus entnimmt das Ladungsausgleichsmodul 9 Energie aus einer der Speicherzellen, wie beispielsweise der Speicherzelle, die den höchsten Ladezustand besitzt und gibt die Energie an die Reihenschaltung mit den einzelnen Ladungsspeicherzellen 81, 82, 83, 8n zurück. Gemäß einem weiteren Ladungsausgleichsmechanismus entnimmt das Ladungsausgleichsmodul 9 Energie aus der Reihenschaltung mit den Ladungsspeicherzellen 81, 82, 83, 8n und führt die Energie in eine der Ladungsspeicherzellen zurück, wie beispielsweise die Ladungsspeicherzelle mit dem niedrigsten Ladezustand. Gemäß einem dritten Ladungsausgleichsmechanismus entnimmt das Ladungsausgleichsmodul 9 Energie aus einer der Speicherzellen 81, 82, 83, 8n, wie beispielsweise der Ladungsspeicherzelle mit dem höchsten Ladungszustand, und gibt die Energie an eine andere Ladungsspeicherzelle 81, 82, 83, 8n zurück, wie beispielsweise die Speicherzelle mit dem niedrigsten Ladezustand. Ladungsausgleichsmodule mit einer solchen Funktionalität sind allgemein bekannt, so dass diesbezüglich keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.
Das zuvor erläuterte Leistungsversorgungssystem ist sehr flexibel. Eine beliebige Anzahl von Ladungsspeichermodulen 2 ₁, 2 ₂, 2 _n kann in Reihe geschaltet werden. die hohe Versorgungsspannung V1 ist lediglich an den Lastanschlüssen 11, 12 vorhanden, sowie an der an den ersten Ladungsspeicher 1 angeschlossenen Last und dem optionalen DC/DC-Wandler 7. Die maximale Spannung, die an den Ladungsübertragungsmodulen 4 ₁, 4 ₂, 4 _n jeweils anliegt, ist die Versorgungsspannung eines Moduls 2 ₁, 2 ₂, 2 _n. Dadurch wird in der Ladungsübertragungsanordnung keine Hochspannungsisolation benötigt. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn die einzelnen Ladungsspeichermodule über das Fahrzeug verteilt sind.
Abschließend sei erwähnt, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, auch wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde, sofern sich diese Merkmale nicht gegenseitig ausschließen.

Claims

Leistungsversorgungssystem, das aufweist: einen ersten Ladungsspeicher (1), der eine Reihenschaltung mit n Ladungsspeichermodulen (2 ₁, 2 ₂, 2 _n), mit n > 1, aufweist, die zwischen Lastanschlüsse (11, 12) geschaltet ist; einen zweiten Ladungsspeicher (5) mit Lastanschlüssen (51, 52); eine Ladungsübertragungsanordnung (3), die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) aufweist, die zwischen eines der Ladungsspeichermodule (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) und die Lastanschlüsse (51, 52) des zweiten Ladungsspeichers (5) geschaltet ist, wobei die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) dazu ausgebildet ist, elektrische Ladung auf Anforderung hin von dem einen Ladungsspeichermodul (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) an den zweiten Ladungsspeicher (5) zu übertragen.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Ladungsübertragungsanordnung (3) n Ladungsübertragungseinheiten (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) aufweist, wobei jede Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) zwischen eines der Ladungsspeichermodule (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) und die Lastanschlüsse (51, 52) des zweiten Ladungsspeichers (5) geschaltet ist.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Ladungsspeicher (1) zwischen 2 und 20 Ladungsspeichermodule (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) aufweist.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 3, bei dem der erste Ladungsspeicher (1) zwischen 8 und 12 Ladungsspeichermodule (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) aufweist.
Leistungsversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Ladungsspeicher (1) dazu ausgebildet ist, im geladenen Zustand eine erste Versorgungsspannung (V1) zwischen seinen Lastanschlüssen (11, 12) zur Verfügung zu stellen, und bei dem der zweite Ladungsspeicher (5) dazu ausgebildet ist, in einem geladenen Zustand eine zweite Versorgungsspannung (V5) zwischen seinen Lastanschlüssen (51, 52) zur Verfügung zu stellen, wobei die erste Versorgungsspannung (V1) höher ist als die zweite Versorgungsspannung (V5).
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 5, bei dem die erste Versorgungsspannung zwischen 350V und 450V beträgt und bei dem die zweite Versorgungsspannung zwischen 10V und 14V beträgt.
Leistungsversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ladungsübertragungsanordnung (3) außerdem aufweist: eine Steuerschaltung (31), die in Signalkommunikation mit der wenigstens einen Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) steht und die dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) aufzufordern, elektrische Energie an den zweiten Ladungsspeicher (5) zu übertragen.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 7, bei dem die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) dazu ausgebildet ist, eine Modulversorgungsspannung des an sie angeschlossenen Ladungsspeichermoduls (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) zu messen und dazu ausgebildet ist, eine Information über die Amplitude der Modulversorgungsspannung an die Steuerschaltung (31) zu liefern.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 8, das weiterhin aufweist: n Ladungsübertragungseinheiten, mit n > 1, wobei jede Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) dazu ausgebildet ist, eine Modulversorgungsspannung eines Ladungsspeichermoduls (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) zu messen, an die sie angeschlossen ist, und eine Information über die Amplitude der Modulversorgungsspannung an die Steuerschaltung (31) zu liefern, wobei die Steuerschaltung (31) dazu ausgebildet ist, die Information über die von den Ladungsübertragungseinheiten (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) erhaltenen Amplituden auszuwerten und abhängig von dieser Auswertung eine der Ladungsübertragungseinheiten (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) aufzufordern, elektrische Energie an den zweiten Ladungsspeicher (5) zu übertragen.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 9, bei dem die Steuerschaltung (31) dazu ausgebildet ist, das Ladungsspeichermodul mit der höchsten Modulversorgungsspannung zu ermitteln und dazu ausgebildet ist, dasjenige Ladungsübertragungsmodul, das an dieses Ladungsspeichermodul gekoppelt ist, aufzufordern, elektrische Energie an den zweiten Ladungsspeicher (5) zu übertragen.
Leistungsversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4) aufweist: einen Transformator (45) mit einer Primärwicklung (45 ₁) und einer Sekundärwicklung (45 ₂); einen elektronischen Schalter (46), der in Reihe zu der Primärwicklung (45 ₁) geschaltet ist, wobei eine Reihenschaltung mit der Primärwicklung (45 ₁) und dem elektronischen Schalter (46) an das eine Ladungsspeichermodul (2) gekoppelt ist; ein Gleichrichterelement (47), das in Reihe zu der Sekundärwicklung (45 ₂) geschaltet ist, wobei eine Reihenschaltung mit der Sekundärwicklung (45 ₂) und dem Gleichrichterelement (47) an den zweiten Ladungsspeicher (5) gekoppelt ist; und eine Ansteuerschaltung (6), die dazu ausgebildet ist, den elektronischen Schalter (46) auf Aufforderung hin anzusteuern.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 11, bei dem die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4) weiterhin aufweist: eine Spannungsmesseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Modulversorgungsspannung des Ladungsspeichermoduls zu messen, an das die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit gekoppelt ist; und eine Schnittstellenschaltung, die an die Ansteuerschaltung (6) und die Spannungsmesseinheit gekoppelt ist, wobei die Schnittstellenschaltung in Signalkommunikation zu der Steuerschaltung (31) der Ladungsübertragungsanordnung (3) steht.
Leistungsversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ladungsspeichermodule (2) des ersten Ladungsspeichers (1) jeweils mehrere in Reihe geschaltete Ladungsspeicher-Untermodule aufweisen; und bei dem das Leistungsversorgungssystem wenigstens eine Modulladungsausgleichseinheit (9) aufweist, die an ein Ladungsspeichermodul gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, elektrische Ladung von einem Ladungsspeicher-Untermodul an ein anderes Ladungsspeicher-Untermodul zu übertragen, von einem Ladungsspeicher-Untermodul an das Ladungsspeichermodul zu übertragen und/oder von dem Ladungsspeichermodul an ein Ladungsspeicher-Untermodul zu übertragen.
Leistungsversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: einen DC/DC-Wandler (71) mit Eingangsklemmen (71, 72), die an die Lastanschlüsse (11, 12) des ersten Ladungsspeichers (1) gekoppelt sind, und mit Ausgangsanschlüssen (73, 74), die an die Lastanschlüsse (51, 52) des zweiten Ladungsspeichers (5) gekoppelt sind.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 14, bei dem der DC/DC-Wandler (7) ein Hochsetzsteller ist.
Fahrzeugelektriksystem, das aufweist: ein Leistungsversorgungssystem, das aufweist: einen ersten Ladungsspeicher (1), der eine Reihenschaltung mit n Ladungsspeichermodulen (2 ₁, 2 ₂, 2 _n), mit n > 1, aufweist, die zwischen Lastanschlüsse (11, 12) geschaltet sind; einen zweiten Ladungsspeicher (5) mit Lastanschlüssen (51, 52); eine Ladungsübertragungsanordnung (3), die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) aufweist, die zwischen eines der Ladungsspeichermodule (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) und die Lastanschlüsse (51, 52) des zweiten Ladungsspeichers (5) geschaltet ist, wobei die wenigstens eine Ladungsübertragungseinheit (4 ₁, 4 ₂, 4 _n) dazu ausgebildet ist, elektrische Ladung auf Anforderung hin von dem einen Ladungsspeichermodul (2 ₁, 2 ₂, 2 _n) an den zweiten Ladungsspeicher (5) zu übertragen, wenigstens eine erste Last (Z1), die an die Lastanschlüsse (11, 12) des ersten Ladungsspeichers (1) angeschlossen ist; und wenigstens eine zweite Last (Z2), die an die Lastanschlüsse (51, 52) des zweiten Ladungsspeichers (5) angeschlossen ist.
Fahrzeugelektriksystem nach Anspruch 16, bei dem die wenigstens eine erste Last (Z1) ein Motor ist.
Fahrzeugelektriksystem nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die wenigstens eine zweite Last (Z2) wenigstens eine der folgenden umfasst: einen elektrischen Fensterheber, ein Radio, einen CD-Spieler, einen DVD-Spieler, ein Navigationssystem, einen elektrischen Aktor, ein Klimatisierungssystem, ein Beleuchtungssystem, ein Fahrzeugkontrollsystem, einen Sensor, ein Sicherheitssystem.
Fahrzeugelektriksystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, das weiterhin einen Generator aufweist, der an die Lastanschlüsse (51, 52) des zweiten Ladungsspeichers (5) gekoppelt ist.