DE69417385T2

DE69417385T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ladungsausgleich von Einheiten

Info

Publication number: DE69417385T2
Application number: DE69417385T
Authority: DE
Inventors: John Lewis Cicero Indiana 46034 Ayres; David Allan Anderson Indiana 46012 Peter
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1994-01-06
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2014-12-09
Also published as: EP0662744B1; EP0662744A2; EP0662744A3; DE69417385D1; US5592067A; JPH07212984A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulladungsausgleichsvorrichtung und ein Verfahren für wiederaufladbare elektrochemische Batterien.
Kraftfahrzeuge, die durch Elektromotoren angetrieben werden, erfordern typischerweise Spannungen einer beträchtlich größeren Größe, als diejenigen, die üblicherweise in herkömmlichen Kraftfahrzeugen, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden, zum Betreiben von Zubehör verwendet werden. Ein Batteriepaket, das aus zumindest einer Serienanordnung - und möglicherweise aus mehreren parallel geschalteten Serienanordnungen - von einzelnen Modulen aufgebaut ist, ist ein üblicher Weg, um eine hohe Spannung in einer handhabbaren Form zu erzielen. Die physikalischen Eigenschaften von einem Modul zu einem anderen sind nie identisch, sogar, wenn die Module unter strengster Kontrolle hergestellt werden. Dies besitzt eine besonders wichtige Bedeutung bei einer Serienanordnung von Modulen, bei denen der Entlade- und Ladestrom durch jedes Modul identisch ist. Während des Entlade- oder Wiederauflade-Zyklus eines Serienbatteriepakets erreicht das eine oder das andere der einzelnen Module - vor dem Erreichen der restlichen Module - bestimmte physikalische Entlade- oder Wiederaufladebegrenzungen, nach denen ein Schaden auftreten kann.
Beispielsweise kann bei herkömmlichen Bleibatterien mit wässrigem Elektrolyten eine Entladung über einen bestimmten Punkt hinaus zu einer Umkehrung der Elektroden und zu einem dauerhaften Schaden an dem Modul führen. Ein Wiederaufladen über einen bestimmten Punkt kann zu Blasenbildung des Elektrolyten führen, wodurch die Lebensdauer des Mo duls verringert wird. Zusätzlich wird das Modul, das einen vollständig geladenen Zustand vor den anderen erreicht, dadurch die Ladung der verbleibenden Module begrenzen, bei denen ein Laden in Ansprechen darauf beendet wird. Dieses "schwache Glied" in der Modulserienkette wird dadurch die Situation unterstützen, bei welcher das einzig vollständig geladene Modul das ist, das zuerst den Zustand erreicht, wodurch ein Batteriepaket bewirkt wird, das nie seine vollständige Energiekapazität erreicht.
Die DE-C-39 40 929 offenbart ein Verfahren eines Modulladungsausgleiches in einem wiederaufladbaren elektrochemischen Batteriesystem, das umfaßt, daß Strom in einen Aggregatpaketspannungsanschluß geliefert wird, ein Paar von Modulspannungen verglichen wird, Strom von einem Anschluß von einem Paar entfernt wird und der entfernte Strom an den Anschluß eines anderen Paares geliefert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einfluß zu verringern oder zu beseitigen, den irgendein Modul auf die verbleibenden Module während des Wiederaufladens einer Serienanordnung von einzelnen Modulen besitzt.
Zu diesem Zweck ist eine Modulladungsausgleichsvorrichtung und ein Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 10 dargelegten Merkmale gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung gleicht vorzugsweise die Ladung aller Module während des Wiederaufladens aus, so daß jedes Modul seine vollständige Kapazität erreicht, ohne nachteilige Überladung irgend eines Moduls; und erzielt die vorhergehenden Aufgaben vorzugsweise ohne Mikroprozessor oder andere zentralisierte Steuerungen.
Deshalb ist in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erindung eine Ladungsausgleichsvorrichtung vorgesehen, die eine Vielzahl von Schaltmodus-Leistungskonvertereinrichtungen verwendet, von denen jede zwischen einem Paar von Modulen wirksam ist, um die Spannung zwischen diesen auszugleichen. Jeder Leistungskonverter ist darin wirksam, Ladung von dem einen des Paares an Modulen mit einer höheren Spannung zu dem anderen des Paares mit der niedrigeren Spannung umzulenken.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung ist jede der Konvertereinrichtungen darin wirksam, Ladung entweder bidirektional oder unidirektional zwischen den Paaren an Modulen umzulenken.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1A ein Blockdiagramm ist, das eine Ausgleichsvorrichtung für verteilte Ladung veranschaulicht, die eine unidirektionale Boost-Konvertertopologie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 1B eine bevorzugte einheitliche Gruppierung eines unidirektionalen Boost-Konverters mit einem Modul in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 ein Blockdiagramm ist, das eine Ausgleichsvorrichtung für verteilte Ladung veranschaulicht, die eine unidirektionale Buck-Konvertertopologie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, das eine Ladungsausgleichsvorrichtung veranschaulicht, die eine bidirektionale Boost/Buck-Konvertertopologie in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines bevorzugten unidirektionalen Boost-Konverters ist, wie er auf die Ausgleichsvorrichtung für verteilte Ladung, die in Fig. 1A veranschaulicht ist, angewendet ist;
Fig. 5A ein Schema eines Systemphantommoduls zum Nebenschließen von Ladung ist, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist; und
Fig. 5B ein Schema eines alternativen Systemphantommoduls zum Einbringen von Ladung ist, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist.
Fig. 1 veranschaulicht eine erste bevorzugte Ausführungsform, die eine unidirektionale Boost-Topologie verwendet, um die vorliegende Erfindung auszuführen. Eine Vielzahl (n) an Modulen, die im wesentlichen gleiche Anschlußspannungsnennwerte aufweisen, von denen jedes individuell mit M bezeichnet ist, ist ferner durch einen unteren numerischen Index identifiziert, der ihre Serienpositionsbeziehung in einem Aggregat-Mehrfachmodul-Paket anzeigt. Das Paket umfaßt zumindest die veranschaulichten seriengekoppelten Module M&sub1; bis Mn zwischen dem Aggregatpaketmasseanschluß 10 und dem Aggregatpaketspannungsanschluß 11. Das Modul, das direkt mit der Aggregatpaketmasse 10 gekoppelt ist, ist mit dem unteren Index "1" als M&sub1; identifiziert, und das Modul, das direkt mit dem Aggregatpaketspannungsanschluß 11 gekoppelt ist, ist mit dem unteren Index "n" als Mn identifiziert. Relative Positionen von Modulen werden, wenn diese nachstehend diskutiert werden, mit dem unteren Index "x" und numerischen Reihen davon identifiziert (d. h. M&sub1;, M&sub2;, ... Mx-1, Mx, Mx+1... Mn- &sub1;, Mn).
Die Aggregatpaketmasse ist in allen Figuren durch ein ausgefülltes schematisches Massesymbol identifiziert, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist. Jedes Modul Mx besitzt einen positiven und einen negativen Anschluß, die mit (+) bzw. (-) in Übereinstimmung mit der Batterieanschlußkonvention gekennzeichnet sind, und eine jeweilige Modulspannung über diese (VMx). Paketknoten N&sub1; bis Nn sind mit dem gleichen Indexschema bezeichnet, das dazu verwendet wird, die Module zu identifizieren, wobei jeder Paketknoten Nx dem positiven Anschluß von Modul Mx zugeordnet ist. Die Knoten sind aus Gründen der Klarheit in den Veranschaulichungen als dicke dunkle Linien übertrieben dargestellt. Jedes Modul Mx weist deshalb eine damit in Verbindung stehende Paketknotenspannung (VNx) auf, die als die Spannung an dem jeweiligen Paketknoten (Nx), der dem positiven Anschluß des entsprechenden Modules (Mx) zugeordnet ist, in bezug auf die Aggregatpaketmasse definiert ist. Die Aggregatpaketspannung ist als die Spannung zwischen dem Aggregatpaketspannungsanschluß 11 und der Aggregatpaketmasse 10 definiert und kann nachstehend als VP bezeichnet sein.
Die Ladungsquelle 12 ist zwischen den Aggregatpaketspannungsanschluß 11 und die Aggregatpaketmasse 10 zur Lieferung eines DC-Ladestromes an das Paket gekoppelt gezeigt. Besondere Einzelheiten der Ladungsquelle 12 sind hier nicht diskutiert, wobei es ausreichend ist, anzumerken, daß die Ladungsquelle nur einen DC-Ladestrom schaffen muß. Es ist selbstverständlich vorzuziehen, daß die Ladungsquelle 12 geeigneterweise entweder spannungs- oder stromgeregelt ist, um eine Überladung des gesamten Pakets zu verhindern. Tatsächlich ist es als Teil eines Gesamtladungssystems erwünscht, daß die Ladungsquelle 12 so geregelt ist, daß sie den Ladungswirkungsgrad maximiert, die Paket- und Modullebensdauer maximiert und die Ladezeit minimiert.
Bei der vorliegenden beispielhaften unidirektionalen Boost-Topologie- Ausführungsform von Fig. 1 weist jedes Modul eine damit in Verbindung stehende entsprechende Konvertereinrichtung auf, die vorzugsweise selbständig selbst geregelt ist. Jede der Konvertereinrichtungen ist individuell mit einem großen C bezeichnet und ist ferner mit einem unteren Index identifiziert, der gleich dem unteren Index des Modules ist, mit dem sie zum Zwecke dieser Beschreibung in Verbindung steht. Jede Konvertereinrichtung ist interaktiv mit einem Paar von Modulen gekoppelt, ist aber hier demonstrativ mit einem des Paares aus Gründen gruppiert, die vollständiger entwickelt werden. Jeder veranschaulichte gestrichelte Kasten, der ein Modul und eine entsprechende Konvertereinrichtung einschließt, umfaßt eine einstückige Einheit mit drei Leitungen. Fig. 1B veranschaulicht eine solche Einheit, die allein vorliegt, wobei die drei Leitungen als (+), (-) und EQ identifiziert sind. Die (+)-Leitung entspricht einem positiven Anschluß eines herkömmlichen Modules und die (-)-Leitung entspricht einem negativen Anschluß eines herkömmlichen Modules. Die EQ-Leitung ist eine Ladungspumpenleitung, welche einen Ladestrom von einem Paketknoten Nx, der einem Modul Mx zugeordnet ist, zu dem benachbarten Modulpaketknoten Nx+1 rückverteilt, der dem Modul Mx+1 zugeordnet ist, das die nächsthöhere Paketknotenspannung aufweist.
Es sei angemerkt, daß mit der beschriebenen Gruppierung eines Moduls und einer Konvertereinrichtung ein Ladungsausgleich ohne die Notwendigkeit eines hinderlichen üblichen Ladungsbusses und komplizierterer Konvertertopologien erreicht wird. Ähnlicherweise verteilt ein unabhängiger Betrieb jeder Konvertereinrichtung eine Ausgleichssteuerung, wodurch die Notwendigkeit einer zentralisierten Steuerung vermieden wird; obwohl ggf. eine zentralisierte Steuerung ausgeführt werden könnte, wie es hier aber nicht diskutiert ist, da es jenseits des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegt. Ein verteilter Ausgleich ermöglicht, daß eine so gut wie unbegrenzte Anzahl von Serienmodulen in einem gewünschten Paket integriert werden kann. Wie aus Fig. 1A gesehen werden kann, berücksichtigt eine relativ einfache und im wesentlichen sich wiederholende Kopplungskonfiguration solche erwünschten Eigenschaften. Die Gruppierung eines Moduls zusammen mit einer Konvertereinrichtung in eine eigenständige Einheit, wie in Fig. 1B gezeigt und vorher unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist, bietet dem Konstrukteur eine große Systemflexibilität und -vereinfachung.
Im Gebrauch erfaßt eine beliebige gegebene Konvertereinrichtung ein Ungleichgewicht von jeweiligen Spannungen eines Paares von Modulen. Bei der vorliegenden unidirektionalen Ausführungsform umfaßt das Paar an Modulen zwei benachbarte Serienmodule, obwohl irgendwelche zwei Module in einem Paket ein Paar umfassen können, vorausgesetzt, daß eine geeignete Trennschaltung vorgesehen ist. Ein Ungleichgewicht, bei dem das Modul (Mx) mit der niedrigeren Paketknotenspannung eine Modulspannung aufweist, welche die Modulspannung des Moduls (Mx+1) mit der größeren Paketknotenspannung überschreitet, bewirkt eine geregelte Ladungsentfernung von dem Paketknoten Nx, dem Mx zugeordnet ist, und eine Rückverteilung der entfernten Ladung zu dem Paketknoten Nx+1, der Mx+1 zugeordnet ist. Ein Ungleichgewicht jedoch, bei dem das Modul (Mx) mit der kleineren Paketknotenspannung eine Modulspannung aufweist, die kleiner als die Modulspannung des Modules (Mx+1) mit der größeren Paketknotenspannung ist, bewirkt keine Ladungsrückverteilung. In bezug auf irgendein Paar von Modulen, die mit einer Konvertereinrichtung in Verbindung stehen, kann das Modul Mx, das dem Knoten Nx zugeordnet ist, der einer geregelten Ladungsentfernung unterzogen wird, als das Quellenmodul bezeichnet werden, und das Modul Mx+1, das dem Knoten Nx+1 zugeordnet ist, der einer geregelten Ladungszuführung unterzogen wird, kann als das Zielmodul bezeichnet werden. Da jede der Konvertereinrichtungen die gleiche Boost-Topologie aufweist, wird bewirkt, daß jegliche Ladungsrückverteilung in einer Richtung entlang des Modulstranges auftritt - mit anderen Worten, Ladung wird den Strang entlang gepumpt. Es kann deshalb gesehen werden, daß die Ladungsrückverteilung in bezug auf sowohl das Paar an Modulen, die einer einzelnen Konvertereinrichtung zugeordnet sind, als auch die Serienanordnung von Modulen unidirektional ist. Das Modul M&sub1; ist das Anfangsmodul relativ zu der Richtung der Ladungsrückverteilung und das Modul Mn ist das Endmodul relativ zu der Richtung der Ladungsrückverteilung.
Ein erwähnenswerter Hauptvorteil ist, daß eine Ladungsrückverteilung nicht lediglich Strom um ein Modul herum nebenschließt und leidet dadurch nicht an hohen Energieverlusten durch Wärmeableitung, die mit solchen Techniken in Verbindung steht. Die Konvertereinrichtung umfaßt eine Schaltmoduskonverterschaltung, wodurch minimale Widerstandselemente verwendet werden, während man sich auf nahezu verlustlose energiespeichernde Wirkelemente zur Ladungsrückverteilung verläßt. All dies führt zu einer sehr effizienten Ausgleichsvorrichtung, welche die im wesentlichen gesamte umgelenkte Ladung innerhalb des Systems rückverteilt, wodurch minimal Energie aus dem System abgeleitet wird. Eine bevorzugte Schaltmoduskonvertereinrichtung wird an einem späteren Punkt in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Endmodul Mn mit einer Konvertereinrichtung Cn, die diesem zugeordnet ist, veranschaulicht. Dies stellt für das Endmodul in der Richtung der Ladungsrückverteilung eine bevorzugte Anordnung dar, obwohl sie zum Ausführen der Erfindung nicht erforderlich ist. Ohne Konvertereinrichtung Cn kann das Modul Mn überladen werden, da kein Mittel zum Entfernen der Ladung von dem Paketknoten Nn vorliegen würde. Mit der Einbeziehung der Konvertereinrichtung Cn in die bevorzugte Anordnung ist es erforderlich, eine andere Referenzspannung zusätzlich zu der der Modulspannung VMn für ihren Betrieb einzurichten. Eine Referenzspannung, die diejenige eines Moduls simuliert, wird durch ein Phantommodul 14 vorgesehen. Zusätzlich wird auch ein Ziel für irgendeinen Ladestrom, der von dem Paketknoten Nn entfernt wird, benötigt, welches das Phantommodul 14 auch vorsieht. Das Phantommodul 14 kann der Konvertereinrichtung Cn eine geregelte Spannung in Übereinstimmung mit einer kalibrierten Spannung anbieten, oder kann alternativ dazu eine geregelte Spannung in Übereinstimmung mit der Durchschnittsmodulspannung "VMavg" anbieten. Vorzugsweise wird das letztgenannte Spannungsschema verwendet und die Spannung, die der Konvertereinrichtung Cn angeboten wird, ist im wesentlichen die Aggregatpaketspannung geteilt durch die Anzahl an Modulen VP/n, die gleich der Durchschnittsmodulspannung VMavg ist.
Das Phantommodul 14 ist mit der Aggregatpaketspannung VP (Anschluß 11) an dem Phantommodulanschluß B, mit der Paketmasse (Anschluß 10) an dem Phantommodulanschluß C und mit dem Anschluß für die Konvertereinrichtung Cn an einem Phantommodulanschluß A gekoppelt gezeigt. Im Betrieb wird jegliche Ladung, die zu Anschluß A des Phantommoduls 14 entlang gepumpt wird, durch dieses an den Anschluß B nebengeschlossen, wobei die mit diesem in Verbindung stehende Energie als Wärme abgeleitet wird. Alternativ dazu kann das Phantommodul 14 so konfiguriert sein, daß der Ladestrom, der durch dieses von dem Paketknoten Nn entlang gepumpt wird, innerhalb des Systems an das Anfangsmodul M&sub1; an dem Paketknoten N&sub1; rückverteilt wird, wie durch eine gestrichelte Linie 16 gezeigt ist, welche den Anschluß D des Phantommoduls 14 mit dem Paketknoten N&sub1; koppelt. Diese beiden alternativen Ausführungsformen des Phantommoduls 14 werden in bezug auf eine bestimmte Schaltung beispielhaft dargelegt, wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt ist.
In Fig. 4 ist ein beispielhafter Schaltkreis mit Boost-Konvertertopologie zum Ausführen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die An schlußbezeichnungen der Kleinbuchstaben a, b und c entsprechen den gleichen Bezeichnungen der Konverter, die in dem Blockdiagramm von Fig. 1 veranschaulicht sind. Während die veranschaulichte Schaltung unter Verwendung von einzelnen Bauteilen hergestellt werden könnte, bilden vorgefertigte monolitische Halbleiterschaltregler, die in praktischen DIP-Stift-Paketen erhältlich sind, die bevorzugte Grundlage für die hier beschriebene Ausführungsform. In Fig. 4 ist ein solches Paket mit 16 Stiften, uA78S40, gezeigt, das kommerziell bei Motorola erhältlich ist, und das bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet und nachstehend als IC 200 bezeichnet ist. Ein beliebiges Paar von benachbarten Modulen, Mx und Mx+1, von einem Paket sind auch veranschaulicht und bezeichnet, wie auch geeignete Paketknoten Nx-1, Nx und Nx+1. Wenn die Modulspannung VMx+1, die zwischen den Anschlüssen a und b gekoppelt ist, die Modulspannung VMx überschreitet, die zwischen den Anschlüssen b und c gekoppelt ist, findet keine Ladungsübertragung von dem Paketknoten Nx zu dem Paketknoten Nx+1 statt. Wenn jedoch die Modulspannung VMx, die zwischen den Anschlüssen b und c gekoppelt ist, die Modulspannung VMx+1 überschreitet, die zwischen den Anschlüssen a und b gekoppelt ist, wird bewirkt, daß eine Ladungsübertragung von dem Paketknoten Nx zu dem Paketknoten Nx+1 stattfindet.
Die bevorzugte Konfiguration von Fig. 4 zeigt, daß nur Stifte 3 und 9-16 verwendet sind. Die Energie für den IC 200 wird an Stift 13 von Anschluß b vorgesehen, der auch mit dem gemeinsamen Knoten Nx zwischen zwei benachbarten Modulen gekoppelt ist, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist. Die IC-Massereferenz für den IC 200 wird an Stift 11 von dem Anschluß c vorgesehen, der auch mit dem negativen Anschluß (Knoten Nx-1) des Modules gekoppelt ist, das die niedrigere Paketknotenspannung an seinem positi ven Anschluß relativ zu der Aggregatpaketmasse aufweist, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist. Jede der Vielzahl von IC-Massereferenzen ist deshalb relativ zu dem negativen Anschluß des Moduls Mx bezogen und sollte nicht mit der Aggregatpaketmasse verwechselt werden.
Ein äußerer Zeitgeberkondensator 202 ist zwischen der IC-Massereferenz und dem Stift 12 gekoppelt, um die Ausgangsperiode und den Arbeitszyklus eines freischwingenden Oszillators 204 zu steuern. Der Zeitgeberkondensator wird in Übereinstimmung mit der Schaltung des Oszillators 204 geladen und entladen, um ein angenähertes Ausgangsarbeitszyklusverhältnis von 6 : 1 zu erzielen, das verringert werden kann, um einen Überstromschutz zu schaffen, wie später diskutiert wird. Der Oszillatorausgang auf Leitung 206 ist entweder ein logischer "1"- oder ein logischer "0"-Eingang in ein UND-Gatter 208 mit zwei Eingängen. Der andere Eingang zu dem UND-Gatter 208 ist der Ausgang des Komparators 210 auf Leitung 212. Der Komparator 210 besitzt an seinem invertierenden Eingang ein Spannungssignal, das im wesentlichen die Mittelpunktsspannung der gesamten Spannung über die Serienmodule Mx und Mx+1 darstellt. Der invertierende Eingang ist mit dem Spannungssignal durch einen Stift 10 gekoppelt, der seinerseits mit einem Spannungsteilerschaltkreis 214 gekoppelt ist, der die Mittelpunktsspannung zwischen den Anschlüssen a und c herstellt. Der nicht invertierende Eingang des Komparators 210 ist ähnlicherweise an ein Spannungssignal gekoppelt, das im wesentlichen die Spannung der tatsächlichen Spannung an dem Knoten Nx über Anschluß b und c und die Widerstände 230, 232 darstellt. Wenn die Spannung des Moduls Mx kleiner als die Spannung des Moduls Mx+1 ist, dann wird die tatsächliche Knotenspannung an Nx relativ zu Knoten Nx-1 niedriger oder negativer sein, als die Mittelpunktsspannung über das Paar von benachbarten Modulen.
Der Komparator 210 dient dazu, eine logische "1" auszugeben, wenn die Modulspannung von Mx+1 kleiner als die Modulspannung von Mx ist, und eine logische "0" auszugeben, wenn die Spannung von Mx+1 größer als die Spannung von Mx ist. Eine logische "1" an dem Ausgang des Komparators 210 zeigt ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Modulspannungen an, auf welches die unidirektionale Boost-Topologie der vorliegenden Erfindung gerichtet ist. Der logische Ausgang des Komparators 210 ist mit dem logischen Ausgang des Oszillators 204 an dem UND-Gatter 208 verknüpft. Wenn beide logischen Eingänge zu dem UND-Gatter 208 Hochpegel sind, ist der Ausgang des Gatters gleichermaßen ein Hochpegel und stellt seinerseits den Ausgang "Q" eines SR-Latch 212 über dessen Einstelleingang "S" auf einen Hochpegel. Der Rückstelleingang "R" des Latch empfängt ein invertiertes Oszillatorausgangssignal über Leitung 206' und als ein Ergebnis wird der SR-Latch 212, sobald er am Ausgang "Q" auf einen Hochpegel eingestellt wird, mit einem Hochpegel eingestellt bleiben, und zwar für so lange, wie der Ausgang des Oszillators 204 ein Hochpegel bleibt, ungeachtet des logischen Pegels des Komparators 210. Ähnlicherweise wird, sobald ein Niedrigpegel an dem Ausgang "Q" zurückgestellt wird, der SR- Latch 212 zumindest für so lange zurückgestellt bleiben, wie der Ausgang des Komparators 210 eine logische "0" ist. Der Ausgang Q folgt daher im wesentlichen dem logischen Zustand des Oszillators 204 für so lange, wie ein Ausgleich erforderlich ist, wie durch einen Hochpegelausgang von dem Komparator 210 angezeigt wird.
Der Ausgang Q von dem SR-Latch ist, wenn er eingestellt ist, eine logische "1", die ihrerseits Transistoren Q1 und Q2 in die Sättigung drängt. Die Diode 216 wird dadurch in Sperrichtung betrieben und Strom beginnt, aus dem Knoten Nx durch den Überstromwiderstand 218, den Induktor 220, den Transistor Q2 zu dem Knoten Nx-1 zu fließen, wodurch der Induktor 220 von dem Modul Mx mit Energie versorgt wird. Wenn der Ausgang Q von dem SR-Latch auf eine logische "0" geht, werden die Transistoren Q1 und Q2 nicht leitend vorgespannt, wodurch ein Zusammenbruch des Magnetfeldes durch den Induktor 220 und eine Umkehr der Spannung darüber bewirkt wird. Der Induktor 220 schafft dadurch einen Strom in den Knoten Nx+1 durch die Diode 216 zum Ladungsausgleich des Moduls Mx+1 mit dem Modul Mx. Ein Filterkondensator 234 schafft eine Ausgangswelligkeitsverringerung. Dieser Zyklus der Ladungsrückverteilung aus dem Knoten Nx und in den Knoten Nx+1 dauert in Übereinstimmung mit der Periode des Oszillators 204 für so lange an, wie die Spannung des Moduls Mx+1 kleiner als die Spannung des Moduls Mx ist, wie durch die vorher beschriebene logische "1" an dem Ausgang des Komparators 210 angezeigt ist.
Eine Strombegrenzung ist ein Merkmal der vorliegenden Ausführungsform, die durch die Verwendung eines geeigneten Überstromwiderstandes 218 geschaffen wird, der, wie vorher erwähnt wurde, Strom durchläßt, der zur Energieversorgung des Induktors 220 beiträgt. Der Spannungsabfall über den Überstromwiderstand 218 wird an Stift 14 überwacht, der mit der Überstromschaltung des Oszillators 204 gekoppelt ist. Wenn der Strom durch den Induktor 220 rampenartig ansteigt, steigt der Spannungsabfall über den Überstromwiderstand an, und wenn er einen kritischen Wert erreicht, wie durch die Überstromschaltung des Oszillators 204 vorbestimmt ist, wird die Lieferung von zusätzlichem Ladestrom zu dem Zeitgeberkondensator 202 bewirkt, wodurch der Oszillatorarbeitszyklus für die Stromperiode gedämpft wird und eine weitere Lieferung von Strom durch den Induktor 220 begrenzt wird. Der Kollektorwiderstand 222 ist so ausgewählt, um einen Betrieb des Transistors Q1 im Sättigungszustand sicherzustellen. Der Widerstand R1 besitzt nominal 170 Ohm, wie er innerhalb des IC 200 vorgesehen ist. Weitere Details über den Betrieb des IC 200 und Betrachtungen von Werten externer Bauteile können den Datenblättern der Hersteller entnommen werden. Die folgende Tabelle listet beispielhaft Werte für externe Bauteile für eine bevorzugte betriebsfähige Boost-Konvertereinrichtung auf, die in Verbindung mit einem Paar von herkömmlichen 12 Volt Kraftfahrzeugbleimodulen verwendet werden kann. Es ist zu verstehen, daß die Werte der Bauteile in Übereinstimmung mit den Aufgaben und den Fähigkeiten des Konstrukteurs gegebenenfalls geändert werden können, ohne daß vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird.
Bauteil Wert
R 230 10 KΩ
R 232 10 KΩ
R 224 10 KΩ
R 226 3,3 KΩ
R 228 100 KΩ
R 218 0,22 Ω
R 222 36 Ω
C 236 470 uF
C 234 470 uF
C 202 680 pF
L 220 180 uH
In Fig. 5A ist ein erster Schaltkreis für ein Phantommodul zur Verwendung in einem Ladungsausgleichssystem mit unidirektionaler Boost- Konvertertopologie, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist, gezeigt. Dieses besondere Phantommodul dient dazu, der Konvertereinrichtung Cn, die mit dem Endmodul Mn in Verbindung steht, eine geregelte Spannung anzubieten, die im wesentlichen gleich der Aggregatpaketspannung VP geteilt durch die Anzahl von Modulen n ist. Der Ladestrom, der von dem Knoten Nn rückverteilt wird, welcher mit dem Endmodul Mn in Verbindung steht, wird nebengeschlossen und die damit in Verbindung stehende Energie wird als Wärme abgeleitet, um den Ladungsausgleich der Module beizubehalten. Bei dieser Ausführungsform ist das Endmodul Mn das Quellenmodul und das Phantommodul simuliert ein Zielmodul, das sowohl eine simulierte Modulspannung als auch ein Ladungsziel schafft.
Die Schaltung von Fig. 5A, die im allgemeinen mit 300 bezeichnet ist, ist um einen Operationsverstärker 301 angeordnet. Energie und Masse werden zu diesem über Anschlüsse A bzw. B geliefert. Wie in Fig. 1A veranschaulicht ist, ist der Phantommodulanschluß A mit dem Anschluß a der Konvertereinrichtung Cn gekoppelt; der Phantommodulanschluß B ist mit dem Knoten Nn und dadurch mit dem Anschluß b der Konvertereinrichtung Cn gekoppelt; und der Phantommodulanschluß C ist mit der Paketmasse gekoppelt. Die Energie ist durch einen Widerstand 302 gekoppelt und ein Filterkondensator 303 ist zwischen den Anschluß B und dem Widerstand 302 gekoppelt. Widerstände 304 und 305 mit abgeglichenen Werten teilen die Spannung über die Anschlüsse A und B und koppeln diese mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 301. Der Kondensator 306 ist in negativer Rückkopplung über den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers 301 gekoppelt. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 301 ist mit dem Anschluß A durch einen Widerstand 307 und mit dem Anschluß C durch Widerstände 308 und 309 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 301 ist mit der Kathode einer Zenerdiode 310 gekoppelt. Die Anode der Zenerdiode 310 ist mit Anschluß B durch einen Widerstand 311 und mit der Basis eines NPN- Transistors 312 gekoppelt. Der Transistor 312 ist mit Anschluß A an seinem Kollektor und mit Anschluß B durch einen Widerstand 313 an seinem Emitter gekoppelt.
Im Betrieb ist der Schaltkreis 5A grundsätzlich ein Nebenschlußspannungsregler. Er regelt eine Spannung VAB über Anschluß A und B wie auch einen gewissen Bruchteil der Spannung VAC über Anschluß A und C. Die Ausgangsstufe verwendet eine Zenerdiode 310 und einen Widerstand 311, um zuzulassen, daß der Transistor 312 abschaltet, sogar, obwohl der Verstärker 301 keinen Ausgang von Null Volt erreicht. Der Widerstand 313 beseitigt einen Teil der Energieableitung von dem Transistor 312, wodurch ein kleinerer Transistor zugelassen wird und ein gewisser Überstromschutz geschaffen wird. Der Verstärker 301 verwendet eine Energiebypassfilterung des Widerstands 302 und Kondensators 303. Der Kondensator 306 mit negativer Rückkopplung wird dazu verwendet, das Ansprechen zu verlangsamen, wodurch der Schaltkreisbetrieb stabilisiert wird. Die Spannung über die Anschlüsse A und B wird geregelt, wenn die Spannungsteilung, die durch die abgeglichenen Widerstände 304 und 305 an dem invertierenden Eingang geschaffen wird, der Spannungsteilung gleicht, die durch das Widerstandsnetzwerk 307, 308 und 309 über An schluß A und C geschaffen wird. Die Spannung VAB ist gleich der Modulspannung VMn und die Spannung VBC ist gleich der Aggregatpaketspannung VP. Dies bewirkt, daß die Spannung VAC über Anschluß A und C wie eine Aggregatspannung von n + 1 Modulen (VAC = VP + VMn) erscheint. Das Widerstandsnetzwerk 307, 308 und 309 ist so ausgewählt, daß es ein Spannungsverhältnis von 1 bis 2 * (n + 1) an dem nicht invertierenden Eingang zu dem Verstärker herstellt, um eine Regelung der Spannung VAB auf im wesentlichen eine Durchschnittsmodulspannung [Vmavg = VAC/(n + 1) = (VP + VMn)/(n + 1)] zu erzwingen. Unten sind Werte für die Widerstände 307, 308 und 309 aufgelistet, unter der Annahme eines beispielhaften Paketes mit fünf Modulen. Der Widerstand 308 ist, wie veranschaulicht ist, ein veränderbarer Widerstand, der dazu verwendet wird, das Netzwerk abzustimmen oder fein abzugleichen.
Bauteil Wert
R 302 10 Ω
R 304 100 KΩ
R 305 100 KΩ
R 307 100 KΩ
R 308 200 KΩ
R 309 4,75 KΩ
R 311 10 KΩ
R 313 10 Ω
C 303 0,1 uF
C 306 0,1 uF
In Fig. 5B ist ein zweiter Schaltkreis für ein Phantommodul zur Verwendung in einem Ladungsausgleichssystem mit unidirektionaler Boost- Konvertertopologie, wie in Fig. 1A veranschaulicht ist, gezeigt. Diese Ausführungsform eines Phantommoduls schließt jedoch die Schleife an dem Strang von Modulen dadurch, daß (a) dem Konverter Cn eine Modulspannung VM&sub1; zum Vergleich mit der Modulspannung VMn angeboten wird und (b) Strom in den Knoten N&sub1; gepumpt wird, wenn VM&sub1; < VMn, wodurch eine Nachbarschaft der End- und Anfangsmodule simuliert wird. Die Trennschaltung ist notwendig, um diesen Typ von Ladungsrückverteilung von einem Modul zu einem anderen Modul, die nicht unmittelbar benachbart zueinander sind, zu erreichen.
Dieses rückverteilende Phantommodul, das in Fig. 5B mit 400 bezeichnet ist, umfaßt ein Paar von Trennverstärkern 402 und 404. Anschlüsse A, B, C und D entsprechen gleichen Bezeichnungen des Phantommoduls, das in Fig. 1A gezeigt ist. Der nicht invertierende Anschluß des Trennverstärkers 402 ist mit dem Knoten N&sub1; gekoppelt, der mit dem positiven Anschluß des Moduls M&sub1; in Verbindung steht, und der invertierende Anschluß ist mit der Paketmasse gekoppelt, wodurch darüber eine Modulspannung VM&sub1; angeboten wird. Der nicht invertierende Anschluß des Trennverstärkers 402 ist auch mit dem Emitter eines NPN-Transistors 406 gekoppelt. Der Kollektor des Transistors 406 ist mit einer Energiequelle 420 gekoppelt. Die Basis des Transistors 406 ist mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 408 gekoppelt. Der nicht invertierende Anschluß des Verstärkers 408 ist mit Masse gekoppelt und dessen invertierender Anschluß ist mit dem invertierenden Anschluß des Trennverstärkers 402 durch den Widerstand 410 und mit dem Ausgang des Trennverstärkers 404 durch den Wi derstand 412 gekoppelt. Der Widerstand 414 ist zwischen Anschluß C und die Aggregatpaketmasse gekoppelt gezeigt.
Der Ausgang des Trennverstärkers 402 ist mit der Basis eines PNP- Transistors 416 gekoppelt. Der Kollektor des Transistors 416 ist mit dem Knoten Nn gekoppelt, der dem Modul Mn zugeordnet ist, und ist mit der Ausgangsreferenz des Trennverstärkers 402 gekoppelt. Der Emitter des Transistors 416 ist mit dem nicht invertierenden Anschluß eines Trennverstärkers 406 und mit einer Seite eines Widerstandes 418 gekoppelt gezeigt. Die andere Seite des Widerstandes 418 ist gemeinsam mit dem invertierenden Anschluß des Trennverstärkers 404, der Rückkopplung des Trennverstärkers 402 und dem Anschluß A der Konvertereinrichtung Cn gekoppelt.
Im Betrieb wird eine Modulspannung VM&sub1; zwischen den Anschlüssen C und D an den Konverter Cn zwischen den Anschlüssen A und B über den Trennverstärker 402 übertragen, der einen PNP-Transistor 416 und einen Begrenzungswiderstand 418 als einen Nebenschlußspannungsregler verwendet. Dies wird dadurch erreicht, daß die Rückkopplungsverbindung zu dem Trennoperationsverstärker auf eine Weise verwendet wird, um einen Spannungsfolger zu bewirken (d. h. die Spannung zwischen A und B folgt der Spannung zwischen D und C). Der Strom, der an Anschluß A (Anschluß a des Konverters Cn) entfernt (oder nebengeschlossen) wird, wird durch Widerstand 418 gemessen und an eine Stromquelle, die mit dem Anschluß D verbunden ist, über einen Trennverstärker 404 gekoppelt. Die Stromquelle besitzt eine gemeinsame Leitung 425, welche nicht die des Paketes ist, so daß sie eine erdfreie Energiequelle 420 erfordert. Die Stromquelle ist mit einem Durchlaßtransistor 406, einem Fehlerver stärker 408, einem Strommeßnebenschluß 414 und Summierwiderständen 410, 412 ausgebildet. Der Fehlerverstärker 408 spannt den Durchlaßtransistor 406 vor, so daß die Spannung von dem Stromnebenschluß 414 und die Ausgangsspannung von dem Trennverstärker 404 gleich und entgegengesetzt sind. Dies bewirkt, daß der Strom an Anschluß D proportional zu der Befehlsspannung an dem Ausgang des Trennverstärkers 404 ist, der seinerseits proportional zu dem Strom ist, der von Anschluß A entfernt wird. Beispielhafte Werte der Bauteile sind unten aufgelistet.
Bauteil Wert
R 410 10 KΩ
R 412 10 KΩ
R 414 1 Ω
R 418 1 Ω
Ausführungsformen von alternativen unidirektionalen und bidirektionalen Schaltmoduskonvertertopologien zum Ausführen der vorliegenden Erfindung sind in Blockdiagrammen in den Fig. 2 bzw. 3 veranschaulicht. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt ein Mehrfachmodulpaket eine Vielzahl (n) von Modulen Mx und zugeordneten Knoten Nx, die durch untere numerische Indizes auf die Weise identifiziert sind, wie vorher Fig. 1A beschrieben wurde. Eine Ladungsquelle 22 ist zwischen den Aggregatpaketspannungsanschluß 21 und die Aggregatpaketmasse 20 zur Lieferung eines DC- Ladestromes an das Paket, vorzugsweise auf eine geregelte Weise, wie vorher beschrieben wurde, gekoppelt gezeigt.
In der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird bewirkt, daß die Ladungsrückverteilung auf eine unidirektionale Weise stattfindet, die im wesentlichen ähnlich zu der ist, die in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist. Es wird jedoch eine unidirektionale Buck-Konvertertopologie bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet, um Ladung von einem Paketknoten Nx, der einem Modul Mx zugeordnet ist, zu entfernen und diese Ladung an einen Paketknoten Nx-1 bei einer niedrigeren Aggregatpaketspannung rückzuverteilen, der mit einem Modul Mx-1 in Verbindung steht. Bei dieser veranschaulichten Anordnung umfaßt der Anschluß b einer Konvertereinrichtung die EQ-Leitung zum Pumpen von Ladung in den Paketknoten zwischen einem Paar von benachbarten Modulen. In bezug auf ein beliebiges Paar von Modulen, die mit einer Konvertereinrichtung in Verbindung stehen, kann das Modul Mx, das dem Knoten Nx zugeordnet ist, der einer geregelten Ladungsentfernung unterliegt, als das Quellenmodul bezeichnet werden, und das Modul Mx-1, das dem Knoten Nx-1 zugeordnet ist, der einer geregelten Ladungszuführung unterliegt, kann als das Zielmodul bezeichnet werden. Da jede der Konvertereinrichtungen die gleiche Bucktopologie aufweist, wird bewirkt, daß jegliche Rückverteilung von Ladung in eine Richtung entlang des Stranges an Modulen auftritt - bei dieser Ausführungsform wird Ladung entlang des Stranges gepumpt. Es kann deshalb gesehen werden, daß die Ladungsrückverteilung in bezug auf sowohl das Paar an Modulen, das einer einzelnen Konvertereinrichtung zugeordnet ist, als auch die Serienanordnung von Modulen unidirektional ist. Das Modul Mn ist das Anfangsmodul relativ zu der Richtung der Ladungsrückverteilung und das Modul M&sub1; ist das Endmodul relativ zu der Richtung der Ladungsrückverteilung.
Wie bei der unidirektionalen Boost-Topologie, die vorher unter Bezugnahme auf die Fig. 1 diskutiert wurde, ist eine Konvertereinrichtung C&sub1; erwünscht, die mit dem Endmodul in der Richtung der Ladungsrückverteilung in Verbindung steht, obwohl es nicht absolut erforderlich zum Ausführen der Erfindung ist. Ohne Konvertereinrichtung C&sub1; kann das Modul M&sub1; überladen werden, da keine Einrichtung zum Entfernen der Ladung von dem Paketknoten N&sub1; bestehen würde. Analog zu dem Phantommodul 14 in der Veranschaulichung der unidirektionalen Boost-Topologie von Fig. 1 sieht ein Phantommodul 24 in Fig. 2 eine Einrichtung vor, die eine Referenzspannung zu der Konvertereinrichtung C&sub1; anbietet, welche die eines ladungsausgeglichenen Moduls simuliert. Vorzugsweise ist diese Referenzspannung im wesentlichen gleich zu der Durchschnittsmodulspannung, beispielsweise der Aggregatpaketspannung geteilt durch die Anzahl an Modulen. Auch sieht das Phantommodul 24 ein Ziel für Ladestrom vor, der von dem Knoten N&sub1; entfernt wird. Der Ladestrom kann nebengeschlossen und als Wärme aus dem System abgeleitet oder an das Modul Mn rückverteilt werden, wie durch Linie 26 veranschaulicht ist, welche das Phantommodul mit dem Knoten Nn koppelt, wodurch Energie innerhalb des Systems gehalten wird. Wenn die Ladung an den Knoten Nn rückverteilt wird, dann muß das Phantommodul auch mit dem Knoten Nn-1 gekoppelt sein, wie durch die gestrichelte Linie 28 gezeigt ist, um einen Vergleich zwischen den Modulspannungen VMn und VM&sub1; zu schaffen. Andererseits ist es nicht erforderlich, daß Leitung 28 die Ladung nebenschließt und die entsprechende Energie als Wärme ableitet.
In dem Blockdiagramm von Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Ladungsausgleichserfindung veranschaulicht. Diese Figur weist ein Mehrfachmodulpaket auf, das aus vier Modulen M&sub1; bis M&sub4; zu sammengesetzt ist, um die Veranschaulichung zu vereinfachen; es kann jedoch wie bei den anderen Ausführungsformen eine beliebige Anzahl an Modulen verwendet werden. Die Module und die zugeordneten Knoten sind deshalb durch bestimmte unteren numerische Indizes identifiziert. Die Ladungsquelle 32 ist zwischen dem Aggregatpaketspannungsanschluß 31 und der Aggregatpaketmasse 30 zum Liefern von DC-Ladestrom an das Paket, vorzugsweise auf eine geregelte Weise, wie vorher beschrieben wurde, gekoppelt gezeigt.
Diese Ausführungsform verwendet im Gegensatz zu denen der vorherigen Beschreibung bidirektionale Boost/Buck-TopologieKonverter zum Ausführen der Ladungsrückverteilung von irgendeinem Modul in einem Paar von Modulen zu dem anderen Modul in dem Paar. Deshalb ist jedes Modul sowohl ein Quell- als auch ein Zielmodul in bezug auf eine gemeinsam gekoppelte Konvertereinrichtung. Ein Vorteil der bidirektionalen Anordnung besteht darin, daß die Anzahl an Konvertern, die erforderlich ist, um einen verringert ist, als bei jeder der beiden bevorzugten unidirektionalen Anordnungen. Zusätzlich ist ein Phantommodul vollständig überflüssig, da alle Konvertereinrichtungen sowohl Ladung von irgendeinem Paketknoten entfernen, als auch zu irgendeinem Paketknoten beitragen können. Jedoch ist eine bidirektionale Konvertereinrichtung vom Standpunkt der Hardware und Steuerung komplizierter und besitzt ferner nicht die Gruppier- oder Pack-Vorteile von jeder der unidirektionalen Anordnungen.

Claims

1. Modulladungsausgleichsvorrichtung für ein wiederaufladbares elektrochemisches Batteriesystem mit einer Serienanordnung von elektrochemischen Modulen (Mn), um ein Batteriepaket zu definieren, wobei jedes Modul einen positiven und einen negativen Anschluß und eine jeweilige Modulspannung darüber aufweist, wobei das Batteriepaket einen Aggregatpaketspannungsanschluß (11) und einen Aggregatpaketmasseanschluß (10) aufweist, wobei jedes Modul ferner eine entsprechende Paketknotenspannung über ihren jeweiligen positiven Anschluß und den Aggregatpaketmasseanschluß aufweist, wobei die Modulladungsausgleichsvorrichtung eine Ladequelle (12) umfaßt, die über den Aggregatpaketspannungssanschluß und den Aggregatpaketmasseanschluß koppelbar ist; und eine Vielzahl von Schaltmodusleistungskonvertereinrichtungen (Cn) umfaßt, wobei jede Schaltmodusleistungskonvertereinrichtung auf die jeweiligen Modulspannungen von einem Paar an Modulen anspricht, die mit diesen in Verbindung stehen, und wobei jede der Schaltmodusleistungskonvertereinrichtungen betrieben werden kann in:

a) einem ersten Modus, der dazu dient, die Schaltmodusleistungskonvertereinrichtung mit dem Paar an Modulen elektrisch zu koppeln, um Ladung von einem des Paares an Modulen an das andere des Paares an Modulen umzuleiten, wenn die Modulspannung des einen Moduls die Modulspannung des anderen Moduls überschreitet, und

b) einem zweiten Modus, der dazu dient, die Schaltmodusleistungskonvertereinrichtung von dem Paar an Modulen elektrisch zu entkoppeln.

2. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Schaltmodusleistungskonvertereinrichtungen in dem ersten Modus dazu dient, Ladung unidirektional von dem positiven Anschluß eines Quellenmodules des Paares an Modulen an den positiven Anschluß eines Zielmodules des Paares an Modulen umzuleiten, wenn die Modulspannung des Quellenmodules die Modulspannung des Zielmodules überschreitet.

3. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Einrichtung (14) zum Erzeugen einer simulierten Modulspannung und zum Anbieten der simulierten Modulspannung als das Zielmodul an eine Konvertereinrichtung, die als das Quellenmodul ein Endmodul aufweist, relativ zu der Richtung der Ladungsrückverteilung.

4. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung (24) zum Erzeugen einer simulierten Modulspannung eine Ladungszieleinrichtung umfaßt, die dazu dient, die Ladung nebenzuschließen, die von dem positiven Anschluß des Endmodules umgeleitet wird.

5. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung zum Erzeugen einer simulierten Modulspannung eine Ladungszieleinrichtung umfaßt, die dazu dient, die Ladung, die von dem positiven Anschluß des Endmodules an den positiven Anschluß eines Anfangsmodules umgeleitet wird, relativ zu der Richtung der Ladungsrückverteilung rückzuverteilen.

6. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Quellenmodul des Paars an Modulen das eine Modul des Paars an Modulen umfaßt, das eine größere Paketknotenspannung als das andere Modul des Paars an Modulen aufweist.

7. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Quellenmodul des Paars an Modulen das eine Modul des Paars an Modulen umfaßt, das eine kleinere Paketknotenspannung als das andere Modul des Paares an Modulen aufweist.

8. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede der Schaltmodusleistungskonvertereinrichtungen eine Boost-Konvertertopologie umfaßt.

9. Modulladungsausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede der Schaltmodusleistungskonvertereinrichtungen eine Buck-Konvertertopologie umfaßt.

10. Verfahren zum Modulladungsausgleich bei einem wiederaufladbaren elektrochemischen Batteriesystem, das eine Serienanordnung von elektrochemischen Modulen (Mn) aufweist, um ein Batteriepaket zu definieren, wobei jedes Modul einen positiven und einen negativen Anschluß und eine jeweilige Modulspannung darüber aufweist, wobei das Batteriepaket einen Aggregatpaketspannungsanschluß (11) und einen Aggregatpaketmasseanschluß (10) aufweist, wobei jedes Modul ferner eine entsprechende Paketknotenspannung über ihren jeweiligen positiven Anschluß und den Aggregatpaketmasseanschluß aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß Strom in den Aggregatpaketspannungsanschluß geliefert wird; ein Paar von Modulspannungen verglichen wird; und eine Vielzahl von Schaltmodusleistungskonvertereinrichtungen (Cn) betrieben wird, wobei jede Schaltmodusleistungskonvertereinrichtung auf eine jeweilige Modulspannung des verglichenen Paares an Modulspannungen anspricht, in einem:

a) einem ersten Modus, der dazu dient, die Schaltmodusleistungskonvertereinrichtung an das Paar von Modulen elektrisch zu koppeln, um Ladung von einem des Paares an Modulen an das andere des Paares an Modulen umzuleiten, wenn die Modulspannung des einen Moduls die Modulspannung des anderen Moduls überschreitet, und

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt zum Betreiben bidirektional durch eine Boost/Buck-Konvertertopologie ausgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt zum Betreiben unidirektional durch eine der (a) Boost-Konvertertopologie und (b) Buck-Konvertertopologie ausgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schritte zum Vergleichen und Betreiben an einem Paar von benachbarten Modulen durchgeführt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Endmodul und ein Anfangsmodul ein Paar von benachbarten Modulen umfassen.