DE102009054818A1

DE102009054818A1 - Umrichter für ein Energiespeichersystem und Verfahren zum Ladungsdifferenzenausgleich zwischen Speichermodulen eines Energiespeichersystems

Info

Publication number: DE102009054818A1
Application number: DE102009054818A
Authority: DE
Inventors: Holger 70567 Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2011082854A3; WO2011082854A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umrichter (14) für ein elektrisches Energiespeichersystem (12) mit einem Energieübertrager (16), einem Wechselrichter (18) und einem zwischen dem Energieübertrager (16) und dem Wechselrichter (18) zwischengeschalteten Zwischenkreis (20), der mindestens einen Zwischenkreiskondensator (22) aufweist, wobei der Energieübertrager (16) mehrere Gleichspannungswandler (26, 28) besitzt, die zwischenkreisseitig mit einander parallel und/oder in Serie geschaltet sind und jeder der Gleichspannungswandler (26, 28) mittels eines ersten und eines zweiten Eingangs (34, 36) an jeweils ein Energiespeichermodul (38, 40) des Energiespeichersystems (12) anschließbar ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (22) ein Zwischenspeicher einer vom Energieübertrager (16) zumindest mitgebildeten Speichermodul-Ausgleichsschaltung (60) ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energieversorgungssystem (10) mit entsprechendem Umrichter (14), ein Kraftfahrzeug mit entsprechendem Energieversorgungssystem (10) und ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen Speichermodulen (38, 40) eines Energiespeichersystems (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter für ein elektrisches Energiespeichersystem, ein Energieversorgungssystem mit Energiespeichersystem und Umrichter, ein Kraftfahrzeug mit Energieversorgungssystem und ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen Speichermodulen eines Energiespeichersystems.
Stand der Technik
Ein derartiger Umrichter für ein elektrisches Energiespeichersystem ist zum Beispiel aus einem Energieversorgungssystem eines Kraftfahrzeuges mit Elektro- oder Hybridantrieb bekannt. Der Umrichter ist dabei elektrisch zwischen den Energiespeichermodulen des Energiespeichersystems und mindestens einer elektrischen Maschine des Elektro- oder Hybridantriebs geschaltet.
Es besteht ein wachsender Bedarf nach Energiespeicher- bzw. Energieversorgungssystemen, welche in stationären Anwendungen wie Windkraftanlagen und Notstromsystemen, aber auch in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen können. Alle diese Einsatzgebiete stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit des Energiespeichersystems. Der Grund hierfür ist, dass ein vollständiger Ausfall der Spannungsversorgung durch das Energiespeichersystem zu einem Ausfall des Gesamtsystems, also der Windkraftanlage, dem Notstromsystem oder dem Fahrzeug, führen kann. So würde zum Beispiel bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug im Falle des Ausfalls der als Batteriemodule ausgebildeten (Energie-)Speichermodule das Elektro- oder Hybridfahrzeug selbst fahruntüchtig werden.
Um die für die jeweilige Anwendung geforderte Leistung und Versorgungsspannung zu gewährleisten, werden einzelne Speicherzellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Da der gesamte Ausgangsstrom des elektrischen Energiespeichersystems aufgrund der Serienschaltung der Speicherzellen in jede der Speicherzellen fließt, bedeutet der Ausfall einer einzigen Zelle im Extremfall, dass das gesamte Energiespeichersystem keinen Strom und damit keine elektrische Energie mehr bereitstellen kann.
Um einen drohenden Ausfall einer Speicherzelle rechtzeitig erkennen zu können, wird gewöhnlich ein sog. Batteriemanagementsystem verwendet, welches mit beiden Polen jeder der Speicherzellen verbunden ist und in regelmäßigen oder wählbaren Abständen Betriebsparameter wie Spannung und Temperatur jeder der Zellen und daraus deren Ladezustand (SoC: State of Charge) bestimmt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand bei gleichzeitig geringer Flexibilität der elektrischen Betriebsdaten des Energiespeichersystems. Während des Betriebs des Gesamtsystems, aber auch durch Betriebspausen, kommt es zu einer ungleichen Belastung einzelner Speichermodule, so dass es sehr wahrscheinlich ist, dass die Module derartiger Energiespeichersysteme mit der Zeit unterschiedliche Ladezustände aufweisen.
Damit die Speicherzellen bei längeren Betriebspausen – z. B. bei abgestelltem Fahrzeug – nicht unterschiedlich stark altern (sog. kalendarische Alterung, die vom Ladezustand und von der Temperatur der Zellen stark beeinflusst wird), bietet sich ein Ladungsausgleich unter den Speichermodulen an. Zu diesem Zweck sind bei einigen der Energiespeichersysteme Speicherzellen- oder Speichermodul-Ausgleichsschaltungen vorgesehen. Die Speicherzellen-Ausgleichsschaltung wird auch als ”Cell-Balancer” bezeichnet und dient zu einem Ladungsausgleich zwischen einzelnen Speicherzellen bzw. Speichermodulen, so dass die Zellen oder Module des Energiespeichersystems alle den gleichen Ladezustand und damit die gleiche Zell- bzw. Modulspannung aufweisen. Ohne einen derartigen Ladungsausgleich driftet der Ladezustand der unterschiedlichen Zellen/Module im Betrieb aufgrund geringfügig unterschiedlicher Kapazitäten und geringfügig unterschiedlichen Selbstentladungen der Zellen bzw. Module auseinander.
Durch die Zahl der benötigten Schaltungsanordnungen, also Umrichter, Speicher-Managementsystem und Speichermodul-Ausgleichsschaltung, bildet sich ein komplexes Gesamtsystem.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Umrichter mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass eingangsseitig eine Vielzahl von Energiespeichermodulen unterschiedlich verschaltet werden können und die ohnehin in dem Umrichter vorhandenen Leistungsbauelemente benutzt werden, um einen Speichermodul-Ladungsausgleich zu realisieren. Gleichzeitig ist der Umrichter für einen Ladungsausgleich zwischen den Energiespeichermodulen nutzbar. Erfindungsgemäß weist der Umrichter dazu einen Energieübertrager, einen Wechselrichter und einen zwischen dem Energieübertrager und dem Wechselrichter zwischengeschalteten Zwischenkreis mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator auf, wobei der Energieübertrager mehrere Gleichspannungswandler besitzt, die zwischenkreisseitig miteinander parallel und/oder in Serie geschaltet sind und jeder der Gleichspannungswandler mittels eines ersten und eines zweiten Eingangs an jeweils ein Speichermodul des Energiespeichersystems anschließbar ist, wobei der Zwischenkreiskondensator ein Zwischenspeicher einer vom Energieübertrager zumindest mit gebildeten Speichermodul-Ausgleichsschaltung zum Ladungsausgleich zwischen den (Energie-)Speichermodulen ist.
Die so gebildete Speichermodul-Ausgleichsschaltung ist eingerichtet für eine Energieentnahme von Energie aus mindestens einem Speichermodul des Energiespeichersystems, zur Zwischenspeicherung der entnommenen Energie in dem Zwischenkreiskondensator und zur zumindest teilweisen Rückspeisung der zwischengespeicherten Energie in zumindest ein anderes der Speichermodule. Eine derartige Speichermodul-Ausgleichsschaltung ist somit für einen tatsächlichen Ladungsausgleich eingerichtet und nicht nur – wie bei einem rein resistiven Cell-Balancing – zum Entladen derjenigen Speichermodule, die im Verlaufe der Zeit weniger weit entladen sind als andere der Speichermodule. Ein derartiger Ladungsausgleich hat einen deutlich höheren Wirkungsgrad als bei einem rein resistiven Cell-Balancing.
Insbesondere wird mittels der vom Energieübertrager zumindest mitgebildeten Speichermodul-Ausgleichsschaltung aus denjenigen Speichermodulen, welche einen höheren Ladezustand aufweisen als der über alle Speichermodule gemittelte Ladezustand, Energie in den Zwischenkreiskondensator des Zwischenkreises eingespeist, zwischengespeichert und anschließend in zumindest ein anderes der Speichermodule zurückgespeist, das einen niedrigeren Ladezustand aufweist als der über alle Speichermodule gemittelte Ladezustand. Auf diese Weise kann eine Symmetrierung des Ladezustands der Speichermodule herbeigeführt werden. Der Ladungsausgleich zwischen Zellen innerhalb eines Speichermoduls – das heißt, die Angleichung des Ladezustands bzw. der Spannung der Speicherzellen eines Speichermoduls wird vorzugsweise mittels einer Zell-Ausgleichs-Schaltungsanordnung durchgeführt, insbesondere eine resistive Zellausgleichs-Schaltungsanordnung.
Die Steuerung des Ladungsausgleichs zwischen den Speichermodulen sowie innerhalb der Speichermodule erfolgt mittels eines Energiespeicher-Managementsystems. Für den Ladungsausgleich zwischen den Speichermodulen gibt das Energiespeicher-Managementsystem den einzelnen Gleichspannungswandlern (DC/DC-Wandlern) jeweils Sollwerte für den Energietransport zwischen den Speicherzellen und dem Zwischenkreiskondensator vor. Die Sollwertvorgabe erfolgt sinnvoller Weise so, dass dem Zwischenkreis durch den Zellausgleich (das „Cell-Balancing”) in Summe über alle Speichermodule keine Energie zu- bzw. abgeführt wird. Für den Ladungsausgleich innerhalb eines Energiespeichermoduls steuert das Energiespeicher-Managementsystem den resistiven Zellausgleich vorzugsweise so an, dass die Zellen alle bis auf den Ladezustand jener Zellen entladen werden, welche den geringsten Ladezustand innerhalb des Batteriemoduls aufweisen.
Unter einem elektrischen Speichermodul eines Energiespeichersystems ist ein Speichermodul zu verstehen, dem elektrische Energie zugeführt und entnommen werden kann. Das elektrische Energiespeichermodul ist als Ladungsspeichermodul und/oder magnetisches Energiespeichermodul und/oder elektrochemisches Energiespeichermodul ausgebildet. Jedes der Energiespeichermodule weist zumindest eine Speicherzelle auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Energiespeichermodule als elektrochemische Energiespeichermodule, insbesondere als Batteriemodule einer wiederaufladbaren Batterie (Akkumulator) ausgebildet sind. Bevorzugt sind die Akkumulatoren Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Unter einem Gleichspannungswandler ist insbesondere ein bi-direktionaler Gleichspannungswandler zu verstehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Energieübertrager eine Vielzahl von Gleichspannungswandler-Modulen auf, die einen der Gleichspannungswandler und/oder eine zwischenkreisseitige Serienschaltung mehrerer der Gleichspannungswandler mit je einem ersten und einem zweiten Modul-Ausgang aufweisen, wobei die Gleichspannungswandler-Module zwischenkreisseitig parallel geschaltet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Eingänge oder der zweiten Eingänge der Gleichspannungswandler jeweils mit Masse verbunden.
Mit Vorteil verfügt mindestens einer der Gleichspannungswandler über eine erste Spule und eine zweite Spule, welche miteinander zu einem Leistungsübertrager und/oder Speichertransformator gekoppelt sind. Insbesondere verfügen alle Gleichspannungswandler über eine erste Spule und eine zweite Spule, welche miteinander zu einem Leistungsübertrager und/oder Speichertransformator gekoppelt sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass mindestens einer der Gleichspannungswandler über eine Freilaufdiode verfügt, wobei jeweils eine Anode der Freilaufdiode mit einem zweiten Ausgang des Gleichspannungswandlers und einer Kathode der Freilaufdiode mit einem ersten Ausgang des Gleichspannungswandlers elektrisch verbunden ist. Besonders bevorzugt verfügt jeder der Gleichspannungswandler über eine Freilaufdiode. Fällt ein Gleichspannungswandler im Betrieb aus, etwa weil eine Speicherzelle des eingangsseitig angeschlossenen Energiespeichermoduls defekt ist, führt der Einsatz der Freilaufdiode dazu, dass der erste und der zweite Ausgang des ausgefallenen Gleichspannungswandlers leitend miteinander verbunden werden, so dass in der gesamten Anordnung weiterhin ein Ausgangsstrom fließen kann. Diese Variante erlaubt daher neben dem Weiterbetrieb trotz des Ausfalls einer oder mehrerer Speicherzellen, den Austausch eines Energiespeichermoduls im laufenden Betrieb, ohne dass die Erzeugung der Gesamtspannung unterbrochen wird.
Alternativ oder zusätzlich verfügt mindestens einer der Gleichspannungswandler einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal und ist ausgebildet, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin einen ersten Ausgang des Gleichspannungswandlers mit einem zweiten Ausgang des Gleichspannungswandlers elektrisch zu verbinden. Insbesondere ist vorgesehen, dass jeder der Gleichspannungswandler über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal verfügt und ausgebildet ist, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin den ersten Ausgang des Gleichspannungswandlers mit dem zweiten Ausgang des Gleichspannungswandlers elektrisch zu verbinden.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante verfügt mindestens einer der Gleichspannungswandler über einen zweiten Steuereingang für ein zweites Steuersignal und ist ausgebildet, auf den Empfang des zweiten Steuersignals hin eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang des Gleichspannungswandlers zu erhöhen. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass jeder der Gleichspannungswandler über einen derartigen Steuereingang verfügt. Somit ist es möglich, einer Senkung der Gesamtspannung eines Umsetzermoduls durch den bereits beschriebenen Ausfall bzw. die Abschaltung eines einzelnen Gleichspannungswandlers entgegenzuwirken, so dass weiterhin eine wenigstens näherungsweise unveränderte Gesamtspannung von der verringerten Anzahl an Gleichspannungswandlern innerhalb des Gleichspannungswandlermoduls bereitgestellt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energieversorgungssystem mit Energiespeichersystem und vorstehend genanntem Umrichter. Es ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem als Energiespeichereinrichtung ausgebildet ist, die den Energieübertrager und eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils mindestens einer Speicherzelle und einem ersten und einem zweiten Pol aufweist, wobei die Pole mit den entsprechenden ersten und zweiten Eingängen der Gleichspannungswandler lösbar elektrisch verbunden sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem vorgenannten Energieversorgungssystem. Es ist vorgesehen, dass das Energieversorgungssystem als Energieversorgungssystem zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das Antriebssystem weist mindestens eine als Elektromotor und/oder Generator ausgebildete elektrische Maschine auf.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen Speichermodulen eines Energiespeichersystems, wobei jedes der Speichermodule an einen zugeordneten Gleichspannungswandler eines Energieübertragers eines Umrichters angeschlossen wird, der weiterhin einen Wechselrichter und ein zwischen dem Energieübertrager und dem Wechselrichter zwischengeschalteten Zwischenkreis mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Entnahme von Energie aus mindestens einem der Speichermodule mittels dessen zugeordneten Gleichspannungswandlers, Zwischenspeicherung der entnommenen Energie in dem Zwischenkreiskondensator und zumindest teilweise Rückspeisung der zwischengespeicherten Energie in zumindest einem anderen der Speichermodule mittels dessen zugeordneten Gleichspannungswandlers. Auf diese Weise wird eine Symmetrierung des Ladezustands der Speichermodule herbeigeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein mittlerer Ladezustand aller Speichermodule ermittelt, Energie mittels der Speichermodul-Ausgleichsschaltung aus mindestens einem Speichermodul, das einen höheren Ladezustand aufweist als der mittlere Ladezustand, in den Zwischenkreiskondensator eingespeist, dort zwischengespeichert und anschließend in zumindest ein anderes der Speichermodule zurückgespeist, das einen niedrigeren Ladezustand aufweist als der mittlere Ladezustand.
Der Zellausgleich (das „Cell-Balancing”) innerhalb eines Speichermoduls – das heißt die Angleichung der Ladezustände bzw. der Spannungen der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls – wird als Ladungsausgleich mittels einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung, insbesondere einer resistiven Zellausgleichs-Schaltungsanordnung, durchgeführt.
Der Ladungsausgleich zwischen den Speichermodulen sowie zwischen den Speicherzellen innerhalb der Speichermodule erfolgt über ein (Energiespeicher)-Managementsystem. Für den Ladungsausgleich zwischen den Speichermodulen gibt das Managementsystem den einzelnen Gleichspannungswandlern jeweils Sollwerte für den Energietransport zwischen den Speicherzellen und dem Zwischenkreiskondensator vor. Diese Sollwertvorgabe erfolgt derart, dass sie im Gleichspannungszwischenkreis durch den Zellausgleich in Summe über alle Module keine Energie zu- bzw. abgeführt wird. Für den Ladungsausgleich innerhalb der Speichermodule steuert das Managementsystem den Zellausgleich so an, dass die Zellen vorzugsweise alle bis auf den Ladezustand jener Zelle entladen werden, welche den geringsten Ladezustand innerhalb des zugeordneten Speichermoduls aufweist. Auch der Zellausgleich wird vorteilhafterweise vom Management-System gesteuert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Energieversorgungssystems mit Energiespeichersystem und Umrichter,
2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Energieversorgungssystems mit Energiespeichersystem und Umrichter und
3 ein Schaltbild einer Zellausgleichs-Schaltungsanordnung.
Das Energieversorgungssystem 10 der 1 weist ein Energiespeichersystem 12 und einen Umrichter 14 mit einem gemeinsamen Energieübertrager 16 auf. Der Umrichter 14 umfasst neben dem Energieübertrager 16 einen Wechselrichter 18 und einen zwischen dem Energieübertrager 16 und dem Wechselrichter 18 zwischengeschalteten Zwischenkreis 20, der einen Zwischenkreiskondensator 22 aufweist. Der Umrichter 14 weist ein Gleichspannungswandler-Modul 24 auf, das seinerseits eine Vielzahl von Gleichspannungswandlern umfasst, von denen jedoch lediglich zwei Gleichspannungswandler 26, 28 dargestellt sind. Die Gleichspannungswandler 26, 28 sind (innerhalb des Gleichspannungswandler-Moduls 24) zwischenkreisseitig in Serie geschaltet, wobei besagtes Gleichspannungswandler-Modul 24 zwischenkreisseitig einen ersten und einen zweiten Modul-Ausgang 30, 32 aufweist. Jeder der Gleichspannungswandler (DC/DC-Umrichter) 26, 28 ist mittels eines ersten und eines zweiten Eingangs 34, 36 an jeweils ein Energiespeichermodul 38, 40 des Energiespeichersystems 12 über dessen Pole elektrisch angeschlossen. Der Zwischenkreiskondensator 22 ist innerhalb des Zwischenkreises 20 in einem Strompfad 41 angeordnet, der den ersten und zweiten Modul-Ausgang 30, 32 bzw. einen ersten und einen zweiten Wechselrichter-Eingang 42, 44 verbindet.
Der Wechselrichter 18 ist mit seinen Drehstrom-Ausgängen 46, 48, 50 mit einer als Drehstrommaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 52 elektrisch verbunden. Die elektrische Maschine 52 ist insbesondere eine als Elektromotor und/oder Generator wirkende elektrische Maschine. Bevorzugt ist das Energieversorgungssystem 10 ein Energieversorgungssystem zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere mindestens einer elektrischen Maschine 52 dieses Antriebssystems, eines Kraftfahrzeugs.
Der erste Eingang 34 eines jeden der Gleichspannungswandler 26, 28 ist auf dem gleichen elektrischen Potential, insbesondere – hier dargestellt – auf Masse M. Jedes der Energiespeichermodule 38, 40 weist eine Vielzahl von Speicherzellen 54 auf, von denen jeweils nur drei Speicherzellen 54 dargestellt sind. Bei den Speichermodulen 38, 40 handelt es sich insbesondere um Lithium-Ionen-Batteriemodule (Lithium-Ionen-Akkumulatormodule) des als Batteriesystem ausgebildeten Energiespeichersystems 12. Die Gleichspannungswandler 26, 28 verfügen jeweils über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal des Energiespeicher-Managementsystems (nicht gezeigt) und sind ausgebildet, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin einen ersten Ausgang 56 mit einem zweiten Ausgang 58 des Gleichspannungswandlers 26, 28 elektrisch zu verbinden. Weiterhin verfügen die Gleichspannungswandler 26, 28 über einen zweiten Steuereingang für ein zweites Steuersignal und sind ausgebildet, auf den Empfang des zweiten Steuersignals hin eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang 56, 58 des Gleichspannungswandlers zu variieren, insbesondere zu erhöhen.
Mittels des Energiespeicher-Managementsystems und des Umrichters 14 kann somit ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen den Speichermodulen 38, 40 des Energiespeichersystems 12 durchgeführt werden, wobei jedes der Energiespeichermodule 38, 40 an einen zugeordneten Gleichspannungswandler 26, 28 des Energieübertragers 16 des Umrichters 14 angeschlossen wird und folgende Schritte durchgeführt werden: Entnahme von Energie aus mindestens einem der Speichermodule 38, 40 mittels dessen zugeordneten Gleichspannungswandler 26, 28 zur Speicherung der entnommenen Energie in dem Zwischenkreiskondensator 21 und zumindest teilweise Rückspeisung der zwischengespeicherten Energie in zumindest ein anderes der Energiespeichermodule 38, 40 mittels dessen zugeordneten Gleichspannungswandler 28, 26. Somit wird von dem Energieübertrager 16 eine Speichermodul-Ausgleichsschaltung 60 zumindest mitgebildet. Ein Zwischenspeicher besagter Speichermodul-Ausgleichsschaltung 60 wird dabei von dem Zwischenkreiskondensator 22 gebildet.
Zum Ladungsausgleich zwischen den Zellen 54 der einzelnen Energiespeichermodule 38, 40 weist der Umrichter 14 eine Vielzahl von in 3 gezeigten Zellausgleichs-Schaltungsanordnungen 62 auf. Die in 3 konkret gezeigte Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 62 ist eine resistive Zellausgleichs-Schaltungsanordnung, wobei diese jeweils genau einer Speicherzelle 54 der Energiespeichermodule 38, 40 zugeordnet ist.
Die 2 zeigt ein Energieversorgungssystem 10 mit einem Energiespeichersystem 12 und einem Umrichter 14, das im Wesentlichen dem Energieversorgungssystem 10 der 1 entspricht, so dass hier nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Bei dem Energieübertrager 16 der 2 weist jedes der Gleichspannungswandler-Module 24, 64 genau einen Gleichspannungswandler 26, 28 auf, wobei die Gleichspannungswandler-Module 24, 64 mit ihrem Modul-Ausgängen 30, 32 zwischenkreisseitig parallel geschaltet sind.
Die als resistive Zellausgleichs-Schaltungsanordnung ausgebildete Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 62 der 3 ist mit zwei Eingängen 66, 68 an Zwischenabgriffen 70, 72 (bzw. zumindest einem Pol des Speichermoduls 38, 40) elektrisch angeschlossen. Zwischen den Eingängen weist die Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 62 einen Strompfad mit einem Lastwiderstand 74 und einem als Transistor ausgebildeten Schalter 76 zum Zu- und Abschalten des Strompfades 73 auf. Parallel zum Strompfad 73 weist die Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 62 eine Spannungsauslese-Einrichtung 80 mit Filter-Bauelementen 82, 84, 86 (Filter-Widerstände 82, 84 und Filter-Kondensator 86) und einem Analog-Digital-Wandler 88 auf. Eine der Speicherzelle 54 zugeordnete Steuer- und Auswerteeinheit 90 des Management-Systems liest die Spannung über der entsprechenden Zelle 54 aus und gibt ein entsprechendes Steuersignal an den Schalter 76 im Strompfad 73 ab.
Für den Ladungsausgleich innerhalb des Energiespeichermoduls 38, 40 steuert das Managementsystem die entsprechende Zellausgleichs-Schaltungsanordnung 62 so an, dass die Speicherzellen 54 alle bis auf den Ladezustand jener Speicherzelle 54 entladen werden, welche den geringsten Ladezustand innerhalb des Moduls 38, 40 aufweist.
Im Vergleich zu einem rein resistiven Cell-Balancing ergeben sich folgende Vorteile:

– Gleicher Hardware-Aufwand, da bei allen Speicherzellen 54 ein resistives Cell-Balancing durchgeführt werden kann und für den Ladungsausgleich zwischen den Energiespeichermodulen 38, 40 nur auf ohnehin vorhandene Komponenten des Energieversorgungssystems 10 zurückgegriffen wird,
– deutlich höherer Wirkungsgrad als bei reinem resistiven Zellausgleich und
– die Speicherzellen 54 der Module 38, 40 können auch aufgeladen werden.

Damit weist das vorgestellte Verfahren erhebliche Vorteile gegenüber einem rein resistiven Zellausgleich auf, ohne dass zusätzlicher Schaltungsaufwand erforderlich ist.

Claims

Umrichter für ein elektrisches Energiespeichersystem (12), mit einem Energieübertrager (16), einem Wechselrichter (18) und einem zwischen dem Energieübertrager (16) und dem Wechselrichter (18) zwischengeschalteten Zwischenkreis (20) mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator (22), wobei der Energieübertrager (16) mehrere Gleichspannungswandler (26, 28) aufweist, die zwischenkreisseitig miteinander parallel und/oder in Serie geschaltet sind und jeder der Gleichspannungswandler (26, 28) mittels eines ersten und eines zweiten Eingangs (34, 36) an jeweils ein Energiespeichermodul (38, 40) des Energiespeichersystems (12) anschließbar ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (22) ein Zwischenspeicher einer vom Energieübertrager (16) zumindest mitgebildeten Speichermodul-Ausgleichsschaltung (60) ist.
Umrichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine einem der Energiespeichermodule (38, 40) zugeordnete Zell-Ausgleichs-Schaltungsanordnung (62) für einen Ladungsausgleich zwischen den Energiespeicherzellen (54) innerhalb dieses Energiespeichermoduls (38, 40).
Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieübertrager (16) eine Vielzahl von Gleichspannungswandler-Modulen (24, 64) aufweist, die je einen der Gleichspannungswandler (26, 28) und/oder eine ausgangsseitige Serienschaltung mehrerer der Gleichspannungswandler (26, 28) mit je einem ersten und einem zweiten Modul-Ausgang (30, 32) aufweisen, wobei die Gleichspannungswandler-Module (24, 64) zwischenkreisseitig parallel geschaltet sind.
Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang (34) oder der zweite Eingang (36) der Gleichspannungswandler (26, 28) mit Masse (M) verbunden ist.
Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Gleichspannungswandler (26, 28) über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal verfügt und ausgebildet ist, auf dem Empfang des ersten Steuersignals hin einen ersten Ausgang (56) des Gleichspannungswandlers (26, 28) mit einem zweiten Ausgang (58) des Gleichspannungswandlers (26, 28) elektrisch zu verbinden.
Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Gleichspannungswandler (26, 28) über einen zweiten Steuereingang für ein zweites Steuersignal verfügt und ausgebildet ist, auf den Empfang des zweiten Steuersignals hin eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang (56, 58) des Gleichspannungswandlers (26, 28) zu erhöhen.
Energieversorgungssystem mit Energiespeichersystem (12) und Umrichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (12) als Energiespeichereinrichtung ausgebildet ist, die den Energieübertrager (16) und einer Mehrzahl der Energiespeichermodule (38, 40) mit jeweils mindestens einer Speicherzelle (54) und einem ersten und einem zweiten Pol aufweist, wobei die Pole mit den entsprechenden ersten und zweiten Eingängen (34, 36) der Gleichspannungswandler lösbar elektrisch verbunden sind.
Kraftfahrzeug mit einem Energieversorgungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (10) als Energieversorgungssystem zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsdifferenzen zwischen Speichermodulen eines Energiespeichersystems, wobei jedes der Speichermodule an einen zugeordneten Gleichspannungswandler eines Energieübertragers eines Umrichters angeschlossen wird, der weiterhin einen Wechselrichter und einen zwischen dem Energieübertrager und dem Wechselrichter zwischengeschalteten Zwischenkreis mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Entnahme von Energie aus mindestens einem der Speichermodule mittels dessen zugeordneten Gleichspannungswandlers, – Zwischenspeicherung der entnommenen Energie in den Zwischenkreiskondensator und – zumindest teilweise Rückspeisung der zwischengespeicherten Energie in zumindest ein anderes der Speichermodule mittels dessen zugeordneten Gleichspannungswandlers.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Ladezustand aller Speichermodule ermittelt wird, Energie mittels der Speichermodul-Ausgleichsschaltung aus mindestens einem Speichermodul, das einen höheren Ladezustand aufweist als der mittlere Ladezustand, in den Zwischenkreiskondensator eingespeist, dort zwischengespeichert und anschließend in zumindest ein anderes der Speichermodule zurückgespeist, das einen niedrigeren Ladezustand aufweist als der mittlere Ladezustand.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladungsausgleich zwischen den Energiespeicherzellen innerhalb eines jeden Energiespeichermoduls mittels mindestens einer dem Speichermodul zugeordneten Zell-Ausgleichs-Schaltungsanordnung erfolgt.