Titel

Verfahren zum Angleichen der Ladezustände von Batteriezellen einer Batterie und Batterie zur Ausführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Angleichen der

Ladezustände von Batteriezellen einer Batterie mit mindestens einem

Batteriemodulstrang, bei dem ein Batteriemodul im Batteriemodulstrang eine Koppeleinheit umfasst, sowie eine Batterie, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.

Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt

Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige

Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbare Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen. Dabei ist jedoch

problematisch, dass es aufgrund nicht exakt identischer Zellkapazitäten und -Spannungen zu Ausgleichsströmen zwischen den parallel geschalteten

Batteriezellen kommen kann.

Das Prinzipschaltbild einer üblichen elektrischen Antriebseinheit, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in Figur 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen

Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen

Zwischenkreiskondensator 1 1 gepuffert wird. An den

Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Abgriffen 14-1 , 14-2, 14-3 gegeneinander phasenversetzte Sinusströme für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des

Zwischenkreiskondensators 1 1 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren

Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF.

Nachteilig bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist, dass die schwächste Batteriezelle in der Batterie 10 die Reichweite bestimmt, und dass der Defekt einer einzelnen Batteriezelle bereits zu einem Liegenbleiber des ganzen

Fahrzeugs führt. Zudem führt die Modulation der hohen Spannungen im

Pulswechselrichter 12 zu hohen Schaltverlusten und - da wegen der hohen Spannungen typischerweise Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter eingesetzt werden müssen - ebenfalls zu hohen Durchlassverlusten.

Nachteilig ist außerdem, dass im System enthaltene Batteriezellen oder -modul von dem gleichen Strom durchflössen werden und somit nicht einzeln

ansteuerbar sind. Es besteht daher keine Möglichkeit, auf verschiedene

Zustände von einzelnen Batteriezellen Einfluss zu nehmen.

Aus dem Stand der Technik sind außerdem Verfahren zum Angleichen von unterschiedlichen Ladezuständen (State of Charge SOC) zwischen einzelnen Batteriezellen oder diese umfassenden Modulen bekannt. Die Verfahren setzen oftmals voraus, dass ein Energieaustausch zwischen den Batteriezellen und einer angeschlossenen Last stattfindet. Beim Stillstand eines Elektrofahrzeugs, also während keine Energie an die Last geliefert oder von dieser aufgenommen wird, ist ein Angleichen der unterschiedlichen Ladezuständen mit diesen

Verfahren nicht möglich. Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Angleichen der Ladezustände von Batteriezellen einer Batterie bereitgestellt. Die Batterie umfasst mindestens einen Batteriemodulstrang mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen.

Jedes der in Serie geschalteten Batteriemodule umfasst wenigstens eine Batteriezelle, wenigstens eine Koppeleinheit, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen. Hierbei entsprechen

verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Batteriemoduls. Somit ist in jedem der Schaltzustände ein anderer Spannungswert zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Batteriemoduls abgreifbar. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: In einem ersten

Verfahrensschritt wird eine erste (nicht notwendigerweise konstante)

Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs durch geeignete Ansteuerung der Batteriemodule des Batteriemodulstrangs bereitgestellt und während eines ersten Zeitintervalls an eine Induktivität angelegt, sodass ein durch die Induktivität fließender Strom erhöht wird. Hierdurch wird Feldenergie in der Induktivität gemäß W = 0,5 L ^* I ² gespeichert, wobei L die Selbstinduktion der Induktivität und I der die Induktivität am Ende des ersten Zeitintervalls durchfließende Strom sind.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine zweite (wiederum nicht notwendigerweise konstante) Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs durch geeignete

Ansteuerung der Batteriemodule des Batteriemodulstrangs bereitgestellt und während eines zweiten Zeitintervalls an die Induktivität angelegt. Hierbei weist die zweite Ausgangsspannung entgegengesetzte Polarität zur ersten Ausgangsspannung auf. An der Bereitstellung der zweiten Ausgangsspannung sind nicht ausschließlich dieselben Batteriemodule beteiligt wie an der Bereitstellung der ersten Ausgangsspannung.

Die während des ersten Verfahrensschrittes in der Induktivität gespeicherte

Feldenergie wird während des zweiten Verfahrensschrittes zur Trennung von

Ladungen in den an der Bereitstellung der zweiten Ausgangsspannung beteiligten Batteriemodule benutzt, sodass diese nach Verstreichen des zweiten Zeitintervalls einen höheren Ladezustand aufweisen als vorher. Dadurch, dass an der Bereitstellung der ersten Ausgangsspannung bevorzugt

Batteriemodule beteiligt werden, welche einen höheren Ladezustand aufweisen als die Batteriemodule, welche an der Bereitstellung der zweiten Ausgangsspannung beteiligt werden, wird erreicht, dass Energie aus den Batteriemodulen mit höherem

Ladezustand in die Batteriemodule mit niedrigerem Ladezustand verschoben wird.

Typischerweise folgt das zweite Zeitintervall direkt auf das erste Zeitintervall, und das Verfahren wird periodisch wiederholt.

Mindestens ein Batteriemodul kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wahlweise den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss des Batteriemoduls zu verbinden oder die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu schalten. Hierdurch werden zwei verschiedene Schaltzustände definiert. Außerdem kann mindestens ein

Batteriemodul dazu ausgebildet sein, die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu schalten, wobei eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist. Hierdurch entstehen ebenfalls zwei Schaltzustände oder aber drei Schaltzustände, wenn die beiden genannten Konfigurationen miteinander kombiniert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist mindestens ein

Batteriemodul die letztgenannten drei Schaltzustände auf, wobei in einem ersten Schaltzustand der erste Anschluss und der zweite Anschluss des Batteriemoduls verbunden sind, in einem zweiten Schaltzustand die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss mit einer bestimmten Polarität (in einem Beispiel positiv) geschaltet und in einem dritten Schaltzustand die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten

Anschluss mit der entgegengesetzten Polarität (in dem gleichen Beispiel negativ) geschaltet ist.

Bevorzugt ist außerdem, dass der Batteriemodulstrang mindestens ein erstes und ein zweites Batteriemodul mit den beschriebenen drei Schaltzuständen umfasst, wobei das erste Batteriemodul einen höheren Ladezustand aufweist als das zweite Batteriemodul.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird dann hierdurch ausgeführt, dass sich während des ersten Zeitintervalls das erste Batteriemodul im zweiten Schaltzustand und das zweite Batteriemodul im ersten Schaltzustand befindet, während sich während des zweiten Zeitintervalls das erste Batteriemodul im ersten Schaltzustand und das zweite Batteriemodul im dritten Schaltzustand befindet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Induktivität mindestens eine Induktivität eines an die Batterie angeschlossenen elektrischen Motors verwendet. Hierbei kann entweder eine Bewegung des elektrischen Motors während der Ausführung des Verfahrens blockiert werden, oder aber während einer Bewegung des elektrischen Motors das erste und/oder das zweite Zeitintervall so gewählt werden, dass der im ersten und/oder zweiten Zeitintervall durch die Induktivität des elektrischen Motors fließende Strom nicht zu einem Drehmoment im elektrischen Motor beiträgt, wodurch erreicht wird, dass die in der Induktivität gespeicherte

Feldenergie nicht in kinetische Energie umgewandelt wird, sondern nur zur

Ladungstrennung benutzt wird. Mit der Erfindung wird somit ein Verfahren

bereitgestellt, welches sowohl während des Betriebes des Motors als auch während des Stillstandes eines vom Motor angetriebenen Systems (also ohne Energiefluss) durchgeführt werden kann.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, welche mindestens einen Batteriemodulstrang mit den oben beschriebenen Eigenschaften umfasst. Die Batterie ist an eine Induktivität anschließbar und dazu ausgelegt, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Außerdem kann sie an eine Induktivität eines elektrischen Motors anschließbar sein. Das zur vollständigen Ausführung des Verfahrens außerdem erforderliche Steuergerät kann Teil der Batterie sein, obwohl dies nicht wesentlich ist. Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie.

Es wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum

Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen erfindungsgemäßen Batterie angegeben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen

gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen: Figur 1 eine elektrische Antriebseinheit gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 eine Koppeleinheit, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren

verwendbar ist,

Figur 3 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figur 4 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figur 5 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen

Halbleiterschaltung,

Figur 6 und 7 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,

Figur 8 die in Figur 5 dargestellte Koppeleinheit in der in Figur 6 dargestellten Anordnung,

Figur 9 eine elektrische Antriebseinheit mit drei Batteriemodulsträngen,

Figur 10 eine Ansteuerung der in Figur 9 gezeigten elektrischen Antriebseinheit durch ein Steuergerät,

Figur 1 1 eine Ausführungsform der Koppeleinheit, welche ermöglicht, dass zwischen den Anschlüssen eines Batteriemoduls eine Spannung mit wählbarer Polarität anliegt,

Figur 12 eine Ausführungsform des Batteriemoduls mit der in Figur 1 1 dargestellten Koppeleinheit,

Figuren 13 und 14 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren während eines ersten Zeitintervalls At-i und eines zweiten Zeitintervalls At ₂ ,

Figur 15 einen zeitlichen Verlauf einer an der in den Figuren 13 und 14 dargestellten Induktivität L anliegenden Spannung, und Figur 16 den entsprechenden Verlauf eines durch die Induktivität L fließenden Stromes.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 2 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist dazu ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden.

Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen Wechselschalter 34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge 31 , 32 mit dem Ausgang 33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter 34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden.

Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Figur 3 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, sodass der Ausgang 33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter verwirklicht werden.

Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, sodass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignals reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind. Figur 5 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen

Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter 35, 36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem antiparallel geschalteten Diode besteht.

Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem Batteriemodul 40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 41 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Im Beispiel der Figur 6 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Anschluss 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Anschluss 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in Figur 7 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Anschluss 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Anschluss 43 verbunden sind.

Figur 8 zeigt die in Figur 5 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in Figur 6 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. Insgesamt ist es möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt oder eine Spannung U _m0d einzustellen.

Figur 9 zeigt eine elektrische Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor 13, dessen drei Phasen mit drei Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, 50-3 verbunden sind. Jeder der drei Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 besteht aus einer

Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40-1 , 40-n, die jeweils eine Koppeleinheit 30 umfassen und wie in Figur 6 oder 7 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40-1 , 40-n zu einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 wird jeweils der erste Anschluss 42 eines Batteriemoduls 40-1 , 40-n mit dem zweiten Anschluss 43 eines benachbarten

Batteriemoduls 40-1 , 40-n verbunden. Auf diese Weise kann eine gestufte Ausgangsspannung in jedem der drei Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 erzeugt werden. Ein in Figur 10 gezeigtes Steuergerät 60 ist dazu ausgebildet, an eine variable

Anzahl von Batteriemodulen 40-1 , 40-n in m Batteriemodulsträngen 50-1 , 50- 2, ...50-m über einen Datenbus 61 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten Batteriemodule 40-1 , 40-n die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen

Batteriemoduls 40-1 , 40-n schalten. Gleichzeitig gibt das Steuergerät 60 an die restlichen Batteriemodule 40-1 , 40-n ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40-1 , 40-n den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen

Batteriemoduls 40-1 , 40-n verbinden, wodurch dessen Batteriezellen 41 überbrückt werden.

Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40-1 , 40-n in m Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, ... 50-m können somit m sinusförmige Ausgangsspannungen erzeugt werden, die den elektrischen Motor 13 in der gewünschten Form ohne Einsatz eines zusätzlichen Pulswechselrichters ansteuern.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die in einem der m Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, ... 50-m verwendeten Batteriemodule 40-1 , 40-n dazu ausgebildet sind, ihre Batteriezellen 41 derart zwischen den ersten

Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 zu schalten, dass eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist. Figur 1 1 zeigt eine Ausführungsform der Koppeleinheit 70, welche dies ermöglicht und bei welcher ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 75, 76, 77 und 78 vorgesehen sind. Der erste Schalter 75 ist zwischen einen ersten Eingang 71 und einen ersten Ausgang 73 geschaltet, der zweite Schalter 76 ist zwischen einen zweiten Eingang 72 und einen zweiten Ausgang 74, der dritte Schalter 77 zwischen den ersten Eingang 71 und den zweiten

Ausgang 74 und der vierte Schalter 78 zwischen den zweiten Eingang 72 und den ersten Ausgang 73 geschaltet.

Die Figur 12 zeigt eine Ausführungsform des Batteriemoduls 40 mit der in Figur 1 1 dargestellten Koppeleinheit. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 70 ist mit dem ersten Anschluss 42 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 70 mit dem zweiten Anschluss 43 des Batteriemoduls 40 verbunden. Das so aufgebaute Batteriemodul 40 hat den Vorteil, dass die Batteriezellen 41 durch die

Koppeleinheit 70 in einer wählbaren Polarität mit den Anschlüssen 42, 43 verbunden werden können, sodass eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden kann. Auch kann es möglich sein, beispielsweise durch Schließen der Schalter 76 und 78 und gleichzeitiges Öffnen der Schalter 75 und 77 (oder aber durch Öffnen der Schalter 76 und 78 sowie Schließen der Schalter 75 und 77), die Anschlüsse 42 und 43 miteinander leitend zu verbinden und eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen. Insgesamt ist es somit möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt, die Spannung U _m0d oder die Spannung -U _m0d einzustellen.

Im Folgenden wird anhand der Figuren 13 bis 16 das erfindungsgemäße

Verfahren zum Angleichen der Ladezustände von Batteriezellen einer Batterie beschrieben. Das Verfahren wird unter Verwendung eines Batteriemodulstrangs 50 ausgeführt, welcher Batteriemodule 40 mit den oben beschriebenen

Eigenschaften umfasst. Insbesondere können hierzu die in Figur 6 bis 8 dargestellten Batteriemodule 40 benutzt werden. Bevorzugt wird das

erfindungsgemäße Verfahren jedoch unter Verwendung eines

Batteriemodulstrangs 50 ausgeführt, welcher eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodule 40 umfasst, welche wie in Figur 12 dargestellt ausgeführt sind und jeweils das in Figur 1 1 dargestellte Koppelelement 70 umfassen. Diese Ausführungsform des Batteriemoduls 40 ist, wie oben ausgeführt, dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wahlweise einen von mindestens drei Schaltzuständen einzunehmen. In einem ersten Schaltzustand sind der erste Anschluss 42 und der zweite Anschluss 43 des Batteriemoduls 40 verbunden. In einem zweiten Schaltzustand ist die Mehrzahl von Batteriezellen 41 zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten

Anschluss 43 mit einer positiven Polarität geschaltet. In einem dritten

Schaltzustand schließlich ist die Mehrzahl von Batteriezellen 41 zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 mit einer negativen Polarität geschaltet. Figuren 13 und 14 zeigen schematisch das erfindungsgemäße Verfahren während eines ersten Zeitintervalls At-i und eines zweiten Zeitintervalls At ₂ .

Der in den Figuren 13 und Figur 14 dargestellte Batteriemodulstrang 50 umfasst zwei Batteriemodule 40-1 , 40-2, wobei beide Batteriemodule 40-1 , 40-2 die oben beschriebenen bevorzugten drei Schaltzustände aufweisen. Der

Batteriemodulstrang 50 ist mit seinen beiden Anschlüssen an eine Induktivität L geschaltet, wodurch an der Induktivität L die von dem Batteriemodulstrang 50 bereitgestellte Ausgangsspannung anliegt.

Vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens fließt kein Strom durch die Induktivität L. Das erste Batteriemodul 40-1 weist einen höheren Ladezustand auf als das zweite Batteriemodul 40-2.

Nun wird, wie in Figur 13 dargestellt, während eines ersten Zeitintervalls At-i eine erste Ausgangsspannung +Ui bereitgestellt. Die erste Ausgangsspannung +Ui wird dadurch bereitgestellt, dass sich das erste Batteriemodul 40-1 im zweiten Schaltzustand befindet, wodurch eine Spannung Ui erzeugt wird, und sich das zweite Batteriemodul 40-2 im ersten Schaltzustand befindet, wodurch dieses nicht zur ersten Ausgangsspannung beiträgt. Hierdurch beginnt ein Strom durch die Induktivität L zu fließen, welcher linear anwächst und dazu führt, dass die Induktivität L Feldenergie speichert.

Während des zweiten Zeitintervalls At ₂ befindet sich das erste Batteriemodul 40- 1 , wie in Figur 14 dargestellt, im ersten Schaltzustand und das zweite

Batteriemodul 40-2 im dritten Schaltzustand. Somit liefert das erste

Batteriemodul 40-1 keinen Beitrag, und das zweite Batteriemodul 40-2 den Beitrag - U ₂ zur zweiten Ausgangsspannung. Obwohl nun eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität an der Induktivität L anliegt, fließt der Strom, wie in den Figuren 13 und 14 durch Pfeile angedeutet, während des zweiten

Zeitintervalls At ₂ weiterhin in der gleichen Richtung wie während des ersten Zeitintervalls At-i, nimmt jedoch linear ab. Hierdurch kommt es zu einem Abbau der in der Induktivität L gespeicherten Feldenergie, welche zur Trennung von Ladungen in dem zweiten Batteriemodul 40-2 führt. Am Ende des zweiten Zeitintervalls At ₂ weist somit das erste Batteriemodul 40-1 einen niedrigeren Ladezustand auf als zu Beginn des Verfahrens, und das zweite Batteriemodul 40-2 einen höheren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist problemlos auf den Fall anwendbar, dass der Batteriemodulstrang 50 eine höhere Anzahl von Batteriemodulen 40 umfasst. Hierbei werden an der Bereitstellung der ersten Ausgangsspannung während des ersten Zeitintervalls At-i bevorzugt diejenigen Batteriemodule beteiligt, welche einen höheren Ladezustand aufweisen als die Batteriemodule, welche an der Bereitstellung der zweiten Ausgangsspannung beteiligt werden. Hierdurch kommt es insgesamt zu einem Ladungsaustausch zwischen den Batteriezellen der verschiedenen Batteriemodule und zu einem Angleichen der unterschiedlichen Ladezustände der Batteriemodule.

Figur 15 zeigt einen Verlauf einer an der Induktivität L anliegenden Spannung während des ersten Zeitintervalls At-i und des zweiten Zeitintervalls At ₂ . Wie in Figur 15 dargestellt, kann das erfindungsgemäße Verfahren periodisch wiederholt werden, wodurch eine allmähliche und kontinuierliche Verschiebung von Ladung zwischen den verschiedenen Modulen möglich ist.

Figur 16 zeigt den entsprechenden Verlauf eines durch die Induktivität L fließenden Stromes. Für eine perfekte Induktivität L erfolgt ein linearer Verlauf des Stromes, welcher bei geeigneter Wahl der Zeitintervalle At-i und At ₂ niemals das Vorzeichen wechselt. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein mittlerer Strom eingestellt und dieser mit einem Wechselanteil überlagert.

Der in den Figuren 15 und 16 dargestellte Vorgang läuft unter idealisierten Voraussetzungen ohne Verluste ab. In der Realität sind natürlich sowohl die Halbleiterbauelemente, die als Schalter in den Batteriemodulen 40 eingesetzt werden, als auch die Induktivität L verlustbehaftet. Somit wird nicht die gesamte aus dem Batteriemodul 40-1 entnommene Energie in das Batteriemodul 40-2 eingespeichert.

In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Induktivität L eine Induktivität des an die Batterie 10 angeschlossenen

elektrischen Motors 13, beispielsweise eines permanenterregten Synchronmotors, verwendet. Da in der Praxis der größte Teil aller verwendeten Motoren dreiphasig ausgeführt ist, kann es sich hierbei um eine Anordnung handeln, wie sie in Figur 9 dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist allerdings auch auf n-phasige Systeme anwendbar. Vorteilhaft bei der

Verwendung der Induktivität des an die Batterie 10 angeschlossenen

elektrischen Motors 13 ist, dass alle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Komponenten bereits im Gesamtsystem enthalten sind.

Um zu gewährleisten, dass die in der Induktivität L gespeicherte Feldenergie nicht in kinetische Energie umgewandelt wird, sondern nur zur Ladungstrennung benutzt wird, sollte sich das Antriebssystem im Stillstand befinden. Genauer muss das Antriebssystem festgebremst sein, das heißt das während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auftretende Moment darf das zu einer Bewegung des Motors notwendige Losreißmoment nicht übersteigen. (Bei einer Asynchronmaschine besteht die Gefahr nicht, da hier kein Moment entsteht.)

Andererseits kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer Bewegung des Antriebssystems ausgeführt werden. Bei der Beschreibung von Synchron- und Asynchronmaschinen ist es üblich, ein rotierendes Koordinatensystem zu verwenden. Die Achsen dieses Koordinatensystems werden mit d-q bezeichnet und rotieren mit der Geschwindigkeit des magnetischen Feldes, wobei die d- Achse per Definition in der Richtung des Feldes orientiert ist. Bei einer symmetrischen Synchronmaschine trägt der in d-Richtung verlaufende Strom nicht zur Momentbildung bei. Somit kann durch den Auf- und Abbau eines Stromes in dieser Richtung das oben beschriebene Verfahren ausgeführt werden. Es ist lediglich das Rotieren des Stromraumzeigers bei der Auswahl der anzusprechenden Batteriemodule zu berücksichtigen. Für ein gegebenes Batteriemodul steht nur ein bestimmter Winkelbereich zur Verfügung, in dem der Strom aufgebaut werden kann. Ebenso steht für ein Batteriemodul, mithilfe dessen der Strom wieder abgebaut werden soll, nur ein bestimmter

Winkelbereich zur Verfügung.