DE102010040163A1 - Energy storage device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeicheranordnung (8) mit wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Speichermodulen (301, ..., 30m), die jeweils eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen (321, ..., 32n) aufweisen, und mit einer Batteriesteuereinrichtung (40), die signaltechnisch mit jeder kapazitiven Speicherzelle (3211, ..., 32mn) verknüpft ist. Erfindungsgemäß ist jede kapazitive Speicherzelle (3211, ..., 32mn) mit einem Hochtiefsetzsteller (4411, ..., 44mn) verschaltet und sind jeder Ausgang dieser Hochtiefsetzsteller (4411, ..., 44mn) mit der Batteriesteuereinrichtung (40) signaltechnisch verknüpft. Somit erhält man eine Energiespeicheranordnung, die einen Fahrstromrichter direkt speisen kann, und die keine Symmetrierungsschaltung mehr benötigt.The invention relates to an energy storage arrangement (8) with at least two electrically connected storage modules (301, ..., 30m), each of which has a plurality of electrically connected capacitive storage cells (321, ..., 32n), and with a battery control device (40) which is linked in terms of signal technology to each capacitive memory cell (3211, ..., 32mn). According to the invention, each capacitive memory cell (3211, ..., 32mn) is connected to a step-down converter (4411, ..., 44mn) and each output of this step-down converter (4411, ..., 44mn) is signal-linked to the battery control device (40) , An energy storage arrangement is thus obtained which can feed a travel converter directly and which no longer requires a balancing circuit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeicheranordnung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an energy storage arrangement according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Energiespeicheranordnung ist beispielsweise aus der US 7 755 331 B2 bzw. DE 10 2008 021 090 A1 bekannt.Such energy storage arrangement is for example from the US Pat. No. 7,755,331 B2 respectively. DE 10 2008 021 090 A1 known.

Eine derartige Energiespeicheranordnung weist als kapazitive Speicherzellen Akkumulatorzellen, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren auf, die jeweils nach Ladezustand eine Spannung im Bereich von 2 V bis 4 V aufweisen. Zur Bereitstellung einer vorbestimmten Spannung, beispielsweise für einen Fahrstromrichter eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, müssen so viele Speicherzellen elektrisch in Reihe geschaltet werden, dass die verfügbare Energie und die Maximalleistung für den Fahrzeugzweck ausreichend ist. Außerdem muss die Summenspannung aus dieser Energiespeicheranordnung, auch als Batteriespannung bezeichnet, in einem Bereich liegen, der für den Fahrstromrichter, der vorwiegend als Wechselrichter betrieben wird, geeignet ist.An energy storage arrangement of this kind has, as capacitive storage cells, accumulator cells, in particular lithium-ion accumulators, which in each case have a voltage in the range of 2 V to 4 V in accordance with the state of charge. To provide a predetermined voltage, for example for a traction converter of a battery-powered vehicle, so many memory cells must be electrically connected in series that the available energy and the maximum power for the vehicle purpose is sufficient. In addition, the sum voltage from this energy storage arrangement, also referred to as battery voltage, must be in a range which is suitable for the traction converter, which is mainly operated as an inverter.

Wegen unvermeidlicher Kapazitätstoleranzen ergeben sich beim Laden der in Reihe geschalteten Speicherzellen verschiedene Spannungen der Speicherzellen einer Speicheranordnung, die im Folgenden als Speichermodul bezeichnet wird. Um die Fähigkeit der Speicherzellen eines Speichermoduls zur Energiespeicherung optimal ausnutzen zu können, muss durch Ladungsausgleich eine gleichmäßige, auch als symmetrisch bezeichnete Spannungsverteilung der Speicherzellen eines Speichermoduls eingestellt werden.Because of unavoidable capacitance tolerances, different voltages of the memory cells of a memory arrangement, which is referred to below as a memory module, result when the series-connected memory cells are being charged. In order to make optimal use of the ability of the memory cells of a memory module to store energy, a uniform voltage distribution, also referred to as symmetrical, of the memory cells of a memory module must be set by charge equalization.

Bei Anwendung in elektrischen Antrieben, wie beispielsweise bei batteriebetriebenen Fahrzeugen, zu den auch Hybridfahrzeuge gezählt werden, übersteigt die Versorgungsspannung die Spannung eines Speichermoduls. In Abhängigkeit von einer geforderten Versorgungsspannung, die wesentlich höher ist als die Spannung eines Speichermoduls, müssen mehrere Speichermodule elektrisch in Reihe geschaltet werden. Dies gilt ebenfalls für eine Hochspannungsanordnung, beispielsweise bei Straßenbahnen. Bei solchen Anwendungen ist insbesondere eine Vielzahl von Speichermodulen elektrisch in Reihe geschaltet, wobei jedes Speichermodul n elektrisch in Reihe geschaltete kapazitive Speicherzellen aufweist. In einer derartigen aus m Speichermodulen aufgebauten Energiespeicheranordnung ist neben der Symmetrierung der n kapazitiven Speicherzellen eines jeden der m Speichermodule auch eine Symmetrierung der m Speichermodule untereinander erforderlich.When used in electric drives, such as in battery-powered vehicles, which are also counted hybrid vehicles, the supply voltage exceeds the voltage of a memory module. Depending on a required supply voltage, which is substantially higher than the voltage of a memory module, several memory modules must be electrically connected in series. This also applies to a high-voltage arrangement, for example in trams. In particular, in such applications, a plurality of memory modules are electrically connected in series, each memory module having n electrically connected in series capacitive memory cells. In such an energy storage arrangement constructed from m memory modules, in addition to the balancing of the n capacitive memory cells of each of the m memory modules, it is also necessary to balance the m memory modules with one another.

Die eingangs genannte DE 10 2008 021 090 A1 offenbart ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Speicherzellen eines Speichermoduls und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dieses Symmetrierungsverfahren wird zu den induktiven Verfahren der regenerativen Symmetrierungsverfahren gezählt. Zur Steuerung der Spannungs-Symmetrierung mehrerer Speicherzellen eines Speichermoduls weist dieses Speichermodul eine Steuereinrichtung auf, die signaltechnisch mit einer jeden Speicherzelle eines Speichermoduls und mit einem Schalter einer jeden Speicherzelle datentechnische gekoppelt ist. Ein derartiges Batteriemanagementsystems ist in dem eingangs genannten US-Patent offenbart.The aforementioned DE 10 2008 021 090 A1 discloses a method for exchanging electrical charge between memory cells of a memory module and a circuit arrangement for carrying out this method. This balancing method is counted among the inductive methods of the regenerative balancing method. In order to control the voltage balancing of a plurality of memory cells of a memory module, this memory module has a control device which is signal-technically coupled to each memory cell of a memory module and to a switch of each memory cell in terms of data technology. Such a battery management system is disclosed in the aforementioned US patent.

Mittels einer Batteriesteuereinrichtung wird nicht nur die Zellenspannung sondern auch dessen Temperatur überwacht, damit ein Speichermodul bzw. eine mehrere Speichermodule aufweisende Energiespeicheranordnung sicher betrieben werden kann. Erwärmen sich die Speicherzellen eines Speichermoduls unterschiedlich, so führt dies zu unterschiedlicher Alterung der Speicherzellen eines Speichermoduls.By means of a battery control device not only the cell voltage but also its temperature is monitored, so that a memory module or a plurality of memory modules having energy storage device can be operated safely. If the memory cells of a memory module heat up differently, this leads to different aging of the memory cells of a memory module.

Da eine aus mehreren Speichermodulen aufgebaute Energiespeicheranordnung bei einer Verwendung in einem batteriegespeisten Fahrzeug am kostspieligsten ist, wird die Betriebsspannung des Antriebssystems eines batteriegespeisten Fahrzeugs von der geforderten Energie und Leistung der Energiespeicheranordnung bestimmt, wobei dessen Spannung nicht passend für einen Fahrstromrichter dieses batteriegespeisten Fahrzeugs ist. Wegen dieser Spannungsunterschiede kann eine solche Energiespeicheranordnung nicht ohne Potentialtrennung zu einem speisenden Netz geladen werden.Since a built-up of several memory modules energy storage device is most expensive for use in a battery-powered vehicle, the operating voltage of the drive system of a battery-powered vehicle is determined by the required energy and power of the energy storage device, the voltage is not suitable for a traction converter of this battery-powered vehicle. Because of these voltage differences, such an energy storage device can not be charged without potential isolation to a feeding network.

Um die Spannung einer Energiespeicheranordnung an eine Eingangsgleichspannung eines Fahrstromrichters anzugleichen, wird gemäß der EP 1 753 634 B1 ein Hochtiefsetzsteller verwendet. Ein in diesem EP-Patent offenbarten Antriebssystem ist in der 1 schematisch veranschaulicht.In order to equalize the voltage of an energy storage device to a DC input voltage of a traction converter, is in accordance with the EP 1 753 634 B1 used a high stepper. A drive system disclosed in this EP patent is in the 1 illustrated schematically.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeicheranordnung anzugeben, die ohne Zwischenschaltung eines bidirektional betriebenen Spannungsstellers einem Fahrstromrichter eines batteriebetriebenen Fahrzeugs direkt speien kann.The invention is an object of the invention to provide an energy storage device that can directly spew a traction converter of a battery-powered vehicle without the interposition of a bidirectionally operated voltage regulator.

Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit dessen kennzeichnenden Merkmalen erfindungsgemäß gelöst.This object is achieved in connection with the features of the preamble of claim 1 with its characterizing features according to the invention.

Dadurch, dass jeder kapazitiven Zelle eines jeden Speichermoduls einer Energiespeicheranordnung ein Hochtiefsetzsteller zugeordnet ist, kann einerseits auf einen zentral angeordneten Hochtiefsetzsteller zur Anpassung einer Spannung der Energiespeicheranordnung an eine Eingangs-Gleichspannung eines Fahrstromrichters und andererseits auf eine der bekannten Symmetrierungsschaltungen einer Energiespeicheranordnung verzichtet werden. Dadurch, dass jede kapazitive Speicherzelle einer Energiespeicheranordnung mit einem Hochtiefsetzsteller ausgestattet ist, arbeiten diese Hochtiefsetzsteller bei kleineren Spannungen, beispielsweise kleiner 20 V. Dadurch können als Stellerschalter jeweils Kleinsignal-MOSFETs verwendet werden. Diese Kleinsignal-MOSFETs können mit Arbeitsfrequenzen bis in den MHz-Bereich getaktet werden, wodurch passive Komponenten des Hochtiefsetzstellers, beispielsweise Stellerdrossel und Stellerkondensator baulich sehr klein werden. Dadurch kann jeder Hochtiefsetzsteller einer Speicherzelle eines Speichermoduls in diesem Speichermodul integriert werden. Diese zellenbasierten Hochtiefsetzsteller jeweils eines Speichermoduls einer Energiespeicheranordnung sind gewichtsmäßig und volumenmäßig kleiner als eine Energiespeicheranordnung mit einem zentral angeordneten Hochtiefsetzstellter gemäß der EP 1 753 634 B1 .Because each capacitive cell of each memory module is one Energy storage arrangement is associated with a Hochtiefsetzsteller, on the one hand can be dispensed with a centrally located Hochtiefsetzsteller for adjusting a voltage of the energy storage device to an input DC voltage of a traction converter and on the other hand on one of the known Symmetrierungsschaltungen an energy storage device. As a result of the fact that each capacitive memory cell of an energy storage arrangement is equipped with a high-step converter, these step-down converters operate at lower voltages, for example less than 20 V. As a result, small-signal MOSFETs can be used in each case as a selector switch. These small-signal MOSFETs can be clocked with operating frequencies up to the MHz range, whereby passive components of the Hochtiefsetzstellers, such as actuator throttle and actuator capacitor are structurally very small. As a result, each high-setting converter of a memory cell of a memory module can be integrated in this memory module. These cell-based vertical step-down converters, each having a memory module of an energy storage arrangement, are smaller in terms of weight and volume than an energy storage arrangement having a centrally arranged high-depth setter according to FIG EP 1 753 634 B1 ,

Da jede Speicherzelle einer Energiespeicheranordnung nach der Erfindung mit einem eigenen Hochtiefsetzsteller versehen ist, der Betriebsstrom führen kann, kann nun die Batteriesteuereinrichtung in allen Zuständen einen optimalen Ladungsausgleich erreicht werden, auch beim Fahren und bei Schnellladung.Since each memory cell of an energy storage device according to the invention is provided with its own vertical step-down converter, which can carry operating current, the battery control device can now be optimally balanced in all states, even when driving and during fast charging.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung einer Energiespeicheranordnung lässt sich alle Speicherzelle dieser Energiespeicheranordnung trotz großer Toleranzen ohne Verwendung einer bekannten Symmetrierungsschaltung voll laden und entladen. Dadurch steigt die verfügbare Kapazität dieser Energiespeicheranordnung. Eine strenge Vorauswahl von kapazitiven Speicherzellen bei der Herstellung einer Energiespeicheranordnung ist nicht mehr von Nöten. Außerdem altern dann die kapazitiven Speicherzellen einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung nicht mehr unterschiedlich, wodurch die Lebensdauer einer derartigen Energiespeicheranordnung sich verlängert.Due to the inventive design of an energy storage arrangement, all the memory cell of this energy storage device can be fully charged and discharged despite large tolerances without the use of a known balancing circuit. This increases the available capacity of this energy storage device. A strict pre-selection of capacitive memory cells in the production of an energy storage device is no longer necessary. In addition, the capacitive storage cells of an energy storage arrangement according to the invention then no longer age differently, which prolongs the life of such an energy storage arrangement.

Des Weiteren kann eine vorhandene Batteriesteuereinrichtung einer Energiespeicheranordnung nach der Erfindung jede seiner kapazitiven Speicherzellen so steuern, dass alle Speicherzellen trotz unterschiedlichem Einbauplatz die gleiche Temperatur aufweist. Dadurch wird eine unterschiedliche Alterung der Speicherzellen einer Energiespeicheranordnung weiter vermindert.Furthermore, an existing battery control device of an energy storage device according to the invention can control each of its capacitive memory cells such that all the memory cells have the same temperature despite different mounting locations. As a result, a different aging of the memory cells of an energy storage arrangement is further reduced.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer Energiespeicheranordnung nach der Erfindung weist jeder Hochtiefsetzsteller eine Trennvorrichtung auf. Dadurch kann eine defekte Speicherzelle aus dem Verbund der Speicherzellen mehrerer Speichermodule derart ausgeschlossen werden, dass die Energiespeicheranordnung mit leicht verminderter Kapazität redundant weiterbetrieben werden kann. Eine derartige defekte Speicherzelle kann dann bei einer nächsten Wartung ausgetauscht werden. Durch den Ausfall einer Speicherzelle, die erfindungsgemäß aus dem Verbund der Speicherzellen einer Energiespeicheranordnung ausgeschlossen wird, kommt es nicht zu einem Ausfall eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, dass aus dieser Energiespeicheranordnung gespeist wird.In an advantageous embodiment of an energy storage arrangement according to the invention, each Hochtiefsetzsteller on a separation device. As a result, a defective memory cell can be excluded from the combination of the memory cells of a plurality of memory modules such that the energy storage arrangement can continue to be operated redundantly with a slightly reduced capacity. Such a defective memory cell may then be replaced at a next service. Due to the failure of a memory cell, which is excluded according to the invention from the composite of the memory cells of an energy storage device, there is no failure of a battery-powered vehicle that is powered from this energy storage device.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Energiespeicheranordnung nach der Erfindung weist jeder Hochtiefsetzsteller mehrere Teil-Hochtiefsetzsteller auf, die elektrisch parallel geschaltet sind. Dadurch teilt sich der Zellenstrom entsprechend der Anzahl parallel geschalteter Teil-Hochtiefsetzsteller auf. D. h., jeder Teil-Hochtiefsetzsteller führt nur noch einen Teilstrom des Zellenstromes.In a further advantageous embodiment of the energy storage arrangement according to the invention, each Hochtiefsetzsteller on a plurality of sub-Hochtiefsetzsteller, which are electrically connected in parallel. As a result, the cell current is divided according to the number of parallel-connected partial high-set converter. In other words, each sub-step-low converter carries only a partial current of the cell current.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung schematisch veranschaulicht sind.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which several embodiments of the energy storage device according to the invention are illustrated schematically.

1 zeigt ein bekanntes Antriebssystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, die 1 shows a known drive system of a battery-powered vehicle, the

2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer herkömmlichen Energiespeicheranordnung, in der 2 shows a schematic diagram of a conventional energy storage device, in the

3 ist eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung dargestellt, und die 3 an energy storage device according to the invention is shown, and the

4 zeigt einen zellenbasierten Hochtiefsetzsteller, wobei in der 4 shows a cell-based Hochtiefsetzsteller, wherein in the

5 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers dargestellt ist. 5 an advantageous embodiment of a cell-based Hochtiefsetzstellers is shown.

In der 1 ist ein Ersatzschaltbild eines bekannten Antriebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs dargestellt. Dieses Antriebssystem weist einen Fahrstromrichter 2, einen Drehstrommotor 4, einen Hochtiefsetzsteller 6, eine Batterie 8 und eine Steuereinrichtung 10 auf. Als Fahrstromrichter 2 ist ein selbstgeführter Stromrichter, insbesondere ein IGBT-Pulsstromrichter, vorgesehen, der im Fahrbetrieb als Wechselrichter betrieben wird. An seinen wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S und T ist der Drehstrommotor 4 mit seinen Anschlüssen angeschlossen. Gleichspannungsseitige Anschlüsse 12 und 14 dieses Fahrstromrichters 2 sind jeweils mit Ausgangs-Anschlüssen 16 und 18 des Hochtiefsetzstellers 6 elektrisch leitend verbunden. Elektrisch parallel zu Eingangs-Anschlüssen 20 und 22 des Hochtiefsetzstellers 6 ist die Batterie 8 geschaltet. Elektrisch parallel zu den Ausgangs-Anschlüssen 16, 18 des Hochtiefsetzstellers 6 und zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 12, 14 des Fahrstromrichters 2 ist ein Kondensator 24 als Stütz- bzw. Glättungskondensator geschaltet. Der Hochtiefsetzsteller 6 weist zwei abschaltbare Halbleiterschalter T7 und T8 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei diese Reihenschaltung elektrisch parallel zu den Ausgangs-Anschlüssen 16 und 18 des Hochtiefsetzstellers geschaltet ist.In the 1 an equivalent circuit diagram of a known drive system of a battery-powered vehicle is shown. This drive system has a traction converter 2 , a three-phase motor 4 , a high stepper 6 , a battery 8th and a controller 10 on. As traction converter 2 is a self-commutated power converter, in particular an IGBT pulse converter, provided, which is operated while driving as an inverter. At its AC-side connections R, S and T is the three-phase motor 4 connected with its connections. DC-side connections 12 and 14 this drive converter 2 are each with output terminals 16 and 18 of the Hochtiefsetzstellers 6 electrically connected. Electrically parallel to input connections 20 and 22 of the Hochtiefsetzstellers 6 is the battery 8th connected. Electrically parallel to the output connections 16 . 18 of the Hochtiefsetzstellers 6 and to the DC side terminals 12 . 14 of the traction rectifier 2 is a capacitor 24 connected as a support or smoothing capacitor. The high stepper 6 has two turn-off semiconductor switches T7 and T8, which are electrically connected in series, this series connection being electrically parallel to the output terminals 16 and 18 the Hochtiefsetzstellers is switched.

Als abschaltbarer Halbleiterschalter T7 und T8 sind Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) vorgesehen, denen jeweils eine Diode D7 und D8 antiparallel geschaltet sind, die ebenfalls als Freilaufdiode bezeichnet werden. Ein Verbindungspunkt 26 dieser beiden in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 ist mittels einer Drossel 28 mit dem Eingangs-Anschluss 20 elektrisch leitend verbunden. Der Strom iL durch die Drossel 28, die auch als Speicherdrossel bezeichnet wird, wird gemessen und der Steuereinrichtung 10 zugeführt. Ebenfalls die ermittelte Spannung UB der Batterie 8 dieser Steuereinrichtung 10 zuführt. In Abhängigkeit von Sollwerten T*, n* für ein Drehmoment T und einer Drehzahl n des Drehstrommotors, eines ermittelten Laststromes iL und gemessener Motorströme iU, iV und iW berechnet diese Steuereinrichtung 10 Steuersignale S7, S8 für die abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 des Hochtiefsetzstellers 6 und Steuersignale S für die abschaltbaren Halbleiterschalter T1, ..., T6 des Fahrstromrichters 2. Da dieser Hochtiefsetzstellers 6 diese beiden abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 aufweist, ist dieser Hochtiefsetzstellers 6 bidirektional betreibbar. D. h., während eines Bremsbetriebes des Fahrzeugs wird der Drehstrommotor 4 generatorisch betrieben und speist Energie zum Kondensator 24, die von da in die Batterie gespeist wird, wodurch diese wieder geladen wird. Mittels dieses Hochtiefsetzstellers 6 wird aus der Batteriespannung UB eine für den Fahrstromrichter 2 geforderte Eingangs-Gleichspannung generiert.Insulated gate bipolar transistors (IGBT) are provided as turn-off semiconductor switches T7 and T8, to each of which a diode D7 and D8 are connected in anti-parallel, which are also referred to as free-wheeling diode. A connection point 26 of these two series-connected turn-off semiconductor switches T7 and T8 is by means of a throttle 28 with the input connector 20 electrically connected. The current i L through the choke 28 , also referred to as storage choke, is measured and the controller 10 fed. Also the determined voltage U B of the battery 8th this control device 10 supplies. This control device calculates as a function of setpoint values T *, n * for a torque T and a rotational speed n of the three-phase motor, a determined load current i L and measured motor currents i U , i V and i W 10 Control signals S 7 , S 8 for the turn-off semiconductor switches T7 and T8 of the Hochtiefsetzstellers 6 and control signals S for the turn-off semiconductor switches T1, ..., T6 of the drive converter 2 , Because of this Hochtiefsetzstellers 6 has these two turn-off semiconductor switches T7 and T8, this Hochtiefsetzstellers 6 bidirectionally operable. That is, during a braking operation of the vehicle, the three-phase motor 4 operated as a generator and supplies energy to the condenser 24 , which is fed from there into the battery, whereby it is charged again. By means of this Hochtiefsetzstellers 6 is from the battery voltage U B for the traction converter 2 required input DC voltage generated.

Der Aufbau der Batterie 8 für ein batteriebetriebenes Fahrzeug ist in der 2 näher dargestellt. Diese Batterie 8 besteht aus einer Reihenschaltung von m Speichermodul 301, ..., 30m, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jedes Speichermodul 301, ..., 30m weist eine Reihenschaltung von n kapazitiven Speicherzellen 321, ..., 32n auf, die ebenfalls elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ein Anschluss des Speichermoduls 301 und des Speichermoduls 30m bilden jeweils eine Batterieklemme 34, 36 der Batterie 8, die mit Eingangs-Anschlüssen 20, 22 des Hochtiefsetzstellers 6 elektrisch leitend verbunden sind. Wegen der Vielzahl an kapazitiven Speicherzellen 3211, ..., 32mn und deren Verschaltung wird diese Batterie 8 auch als Energiespeicheranordnung 8 bezeichnet. Diese Energiespeicheranordnung 8 weist außerdem noch ein Batteriemonitoringsystem 38 und eine Batteriesteuereinrichtung 40 auf, die datentechnisch, beispielsweise mittels eines Datenbusses 42, miteinander verknüpft sind. Dem Batteriemonitoringsystem 38 sind die Zellenspannungen U11, ..., Umn der kapazitiven Speicherzellen 3211, ..., 32mn zugeführt. Es werden außerdem noch die Temperaturen der kapazitiven Speicherzellen 3211, ..., 32mn diesem Batteriemonitoringsystem 38 zugeführt. Diese ermittelten Signale werden der Batteriesteuereinrichtung 40 zugeführt, die aus diesen Signalen bestimmt, ob einzelne Speicherzellen 3211, ..., 32mn zusätzlich geladen oder entladen werden müssen, um einen Kapazitätsausgleich zu erreichen. Durch diesen Kapazitätsausgleich wird erreicht, dass die nutzbare Kapazität annähernd gleich der Nennkapazität der Energiespeicheranordnung 8 ist. Zur Erreichung dieses Kapazitätsausgleiches werden bisher Symmetrierungsschaltungen verwendet, die beispielsweise in der älteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2010 029 427.6 und mit dem Prioritätsdatum 28.05.2010 miteinander verglichen sind.The construction of the battery 8th for a battery-powered vehicle is in the 2 shown in more detail. This battery 8th consists of a series connection of m memory module 301 , ..., 30m which are electrically connected in series. Each memory module 301 , ..., 30m has a series connection of n capacitive memory cells 321 , ..., 32n on, which are also electrically connected in series. One connection of the memory module 301 and the memory module 30m each form a battery terminal 34 . 36 the battery 8th that with input connections 20 . 22 of the Hochtiefsetzstellers 6 are electrically connected. Because of the large number of capacitive storage cells 3211 , ..., 32mn and their connection becomes this battery 8th also as an energy storage arrangement 8th designated. This energy storage arrangement 8th also has a battery monitoring system 38 and a battery controller 40 on, the data technology, for example by means of a data bus 42 , are linked together. The battery monitoring system 38 are the cell voltages U 11 , ..., U mn of the capacitive storage cells 3211 , ..., 32mn fed. There are also the temperatures of the capacitive storage cells 3211 , ..., 32mn this battery monitoring system 38 fed. These detected signals become the battery controller 40 supplied, which determines from these signals whether individual memory cells 3211 , ..., 32mn additionally be charged or discharged in order to achieve capacity equalization. By this capacity equalization is achieved that the usable capacity is approximately equal to the nominal capacity of the energy storage device 8th is. To achieve this capacity compensation balancing circuits are used so far, which are compared for example in the earlier national patent application with the official file number 10 2010 029 427.6 and with the priority date 28.05.2010.

In der 3 ist eine Energiespeicheranordnung 8 nach der Erfindung vereinfacht dargestellt. Erfindungsgemäß ist jeder kapazitiven Speicherzelle 3211, ..., 32mn ein Hochtiefsetzsteller 4411, ..., 44mn zugeordnet, der steuerungsseitig mit der Batteriesteuereinrichtung 40 verknüpft ist. Diese Hochtiefsetzsteller 4411, ..., 44mn sind untereinander elektrisch in Reihe geschaltet. Durch die datentechnische Verknüpfung mit der Batteriesteuereinrichtung 40 wird jeder Hochtiefsetzsteller 4411, ..., 44mn einer jeden kapazitiven Speicherzelle 3211, ..., 32mn der Energiespeicheranordnung 8 direkt von dieser Batteriesteuereinrichtung 40 gesteuert. Dabei erfüllt diese Batteriesteuereinrichtung 40 beispielsweise die Steuerungsaufgaben Zellüberwachung, Gleichspannungs-Regelung, statischer und dynamischer Ladungsausgleich und Temperaturüberwachung.In the 3 is an energy storage device 8th shown simplified according to the invention. According to the invention, each capacitive memory cell 3211 , ..., 32mn a high-level converter 4411 , ..., 44 mN assigned to the control side with the battery control device 40 is linked. These high steppers 4411 , ..., 44 mN are electrically connected in series with each other. Through the data link with the battery control device 40 every high-setting converter 4411 , ..., 44 mN each capacitive memory cell 3211 , ..., 32mn the energy storage device 8th directly from this battery control device 40 controlled. In this case, this battery control device meets 40 For example, the control tasks cell monitoring, DC voltage regulation, static and dynamic charge compensation and temperature monitoring.

In der 4 ist ein Ersatzschaltbild eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 4411 näher dargestellt. Dieser zellenbasierte Hochtiefsetzsteller 4411 weist wie der Hochtiefsetzsteller 6 des Antriebssystems gemäß 1 zwei Schalter 4611 und 4811, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, auf. Elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung zweier Schalter 4611 und 4811 ist ein Ladekondensator 5011 geschaltet. Ein Anschluss der kapazitiven Speicherzelle 3211 ist mittels einer Drossel 5211 mit einem Verbindungspunkt dieser beiden Schalter 4611 und 4811 elektrisch leitend verbunden. An den Ausgangsanschlüssen des zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 4411 steht eine Zellentspannung U11 an. Da jeder kapazitiven Speicherzelle 3211, ..., 21mn der Energiespeicheranordnung 8 ein Hochtiefsetzsteller 4411 zugeordnet ist und die Zellenspannung U11, ..., Umn zwischen 2 V und 4 V, insbesondere 3, 3 V, bei einer Silizium-Diode-Speichezelle liegen, sind als Schalter 4611 und 4811 eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 4411 MOSFETs vorgesehen. Diese Kleinsignal-MOSFETs können mit Arbeitsfrequenzen bis in den MHz-Bereich getaktet werden, wodurch die passiven Komponenten 5011 und 5211 eines jeden zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 4411 baulich sehr klein ausfallen. Dadurch beansprucht jeder zellenbasierte Hochtiefsetzsteller 4411 einen geringen Platz, so dass dieser in einem zugehörigen Speichermodul 301 der Energiespeicheranordnung 8 integriert werden kann. Das Volumen und das Gewicht dieser Energiespeicheranordnung 8 mit integrierten Hochtiefsetzstellern 4411, ..., 44mn sind geringer als die Kombination der Batterie 8 und des zentralen Hochtiefsetzstellers gemäß 1.In the 4 is an equivalent circuit diagram of a cell-based Hochtiefsetzstellers 4411 shown in more detail. This cell based high stepper converter 4411 points like the high stepper 6 of the drive system according to 1 two switches 4611 and 4811 which are electrically connected in series on. Electrically parallel to this series connection of two switches 4611 and 4811 is a charging capacitor 5011 connected. One connection of the capacitive storage cell 3211 is by means of a throttle 5211 with a connection point of these two switches 4611 and 4811 electrically connected. At the output terminals of the cell-based step-down converter 4411 is a cell voltage U 11 on. As everyone capacitive memory cell 3211 , ..., 21mn the energy storage device 8th a high-level converter 4411 is assigned and the cell voltage U 11 , ..., U mn between 2 V and 4 V, in particular 3, 3 V, in a silicon diode memory cell are as switches 4611 and 4811 a cell-based Hochtiefsetzstellers 4411 Provided MOSFETs. These small-signal MOSFETs can be clocked at working frequencies up to the MHz range, eliminating the passive components 5011 and 5211 of each cell-based high-set converter 4411 structurally very small. As a result, each cell-based high step-down converter claims 4411 a small space, so this in an associated memory module 301 the energy storage device 8th can be integrated. The volume and weight of this energy storage device 8th with integrated vertical stepping actuators 4411 , ..., 44 mN are less than the combination of the battery 8th and the central step-up converter according to 1 ,

Da jede kapazitive Speicherzelle 3211, ..., 32mn der Energiespeicheranordnung 8 mit einem zellenbasierten Hochtiefsetzsteller 4411, ..., 44mn versehen ist, der Betriebsstrom führen kann, kann die Batteriesteuereinrichtung 42 in allen Zuständen einen optimalen Leistungsausgleich erreichen, auch während eines Fahrbetriebes und während einer Schnellladung.Because every capacitive memory cell 3211 , ..., 32mn the energy storage device 8th with a cell-based high-step converter 4411 , ..., 44 mN is provided, which can carry operating power, the battery control device 42 Achieving optimum power compensation in all states, even during driving and during fast charging.

Somit lassen sich alle kapazitiven Speicherzellen 3211, ..., 32mn trotz großer Toleranzen vollständig laden und entladen. Damit steigt die verfügbare Kapazität der Energiespeicheranordnung 8. Eine strenge Vorauswahl von Lithium-Ionen-Zellen bei der Herstellung einer Energiespeicheranordnung 8 gemäß der Erfindung ist nicht mehr nötig. Da jede kapazitive Speicherzelle 3211, ..., 32mn dieser Energiespeicheranordnung 8 individuell gesteuert werden kann, altern die Speicherzellen 3211, ..., 32mn einer Energiespeicheranordnung 8 nach der Erfindung nicht mehr unterschiedlich. D. h., die Lebensdauer der Energiespeicheranordnung 8 steigt, wobei deren Herstellungskosten sinken.Thus, all capacitive memory cells can be 3211 , ..., 32mn Fully load and unload despite large tolerances. This increases the available capacity of the energy storage device 8th , A strict preselection of lithium-ion cells in the production of an energy storage device 8th according to the invention is no longer necessary. Because every capacitive memory cell 3211 , ..., 32mn this energy storage arrangement 8th can be controlled individually, the memory cells age 3211 , ..., 32mn an energy storage device 8th no longer different according to the invention. That is, the life of the energy storage device 8th increases, whereby their production costs decrease.

Durch den direkten Zugriff der Batteriesteuereinrichtung 40 auf jede kapazitive Speicherzelle 3211, ..., 32mn der Energiespeicheranordnung 8 nach der Erfindung kann jede kapazitive Speicherzelle 3211, ..., 32mn derart gesteuert werden, dass alle kapazitiven Speicherzellen 3211, ..., 32mn trotz unterschiedlichem Einbauplatz innerhalb dieser Energiespeicheranordnung 8 die gleiche Temperatur aufweist. Dadurch wird ebenfalls eine unterschiedliche Alterung der kapazitiven Speicherzellen 3211, ..., 32mn vermieden.By the direct access of the battery control device 40 on every capacitive memory cell 3211 , ..., 32mn the energy storage device 8th According to the invention, each capacitive memory cell 3211 , ..., 32mn be controlled so that all capacitive memory cells 3211 , ..., 32mn despite different slot within this energy storage device 8th has the same temperature. This also causes a different aging of the capacitive memory cells 3211 , ..., 32mn avoided.

In der 5 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 4411 näher dargestellt. In dieser Darstellung sind als abschaltbare Schalter 4611 und 4811 jeweils ein MOSFET vorgesehen. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform sind ein zellenbasierter Hochtiefsetzsteller 4411 auf eine Vielzahl zellenbasierten Hochtiefsetzsteller aufgeteilt, so dass sich der Zellenstrom entsprechend der Anzahl der elektrisch parallel geschalteten zellenbasierten Hochtiefsetzsteller ebenfalls aufteilt. Dadurch fließt durch die Komponenten 4611, 4811 und 5211 eines jeden zellenbasierten Hochtiefsetzstellers nur ein Teil des Zellenstroms. Dadurch können noch stromtragschwächere MOSFETs verwendet werden, die noch weniger Platz beanspruchen.In the 5 is an advantageous embodiment of a cell-based Hochtiefsetzstellers 4411 shown in more detail. In this illustration are as turn-off switch 4611 and 4811 each provided a MOSFET. In this advantageous embodiment, a cell-based Hochtiefsetzsteller 4411 divided into a plurality of cell-based Hochtiefsetzsteller so that divides the cell current according to the number of electrically parallel-connected cell-based Hochtiefsetzsteller also. This flows through the components 4611 . 4811 and 5211 of each cell-based high-set converter only a part of the cell current. As a result, even current carrying weaker MOSFETs can be used, which take up even less space.

Außerdem weist jede vorteilhafte Ausführungsform eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 4411 einen weiteren Schalter 5411 auf, der zwischen Drossel 5211 und einem Verbindungspunkt der beiden in Reihe geschalteten Schalter 4611 und 4811 angeordnet ist. Mittels dieses Schalters 5411 kann eine fehlerhafte kapazitive Speicherzelle 3211 aus der Reihenschaltung der kapazitiven Speicherzellen 3211, ..., 32mn der Energiespeicheranordnung 8 derart entfernt werden, dass die Energiespeicheranordnung 8 mit einem veränderten Kapazitätswert weiter betrieben werden kann. Dazu wird der Schalter 5411, der während des normalen Betriebes geschlossen ist, geöffnet. Außerdem werden die beiden Schalter 4611 und 4811 geschlossen, so dass die Ausgänge des zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 4411 kurzgeschlossen sind. Dadurch kann die Energiespeicheranordnung 8 redundant weiter betrieben werden.In addition, each advantageous embodiment of a cell-based Hochtiefsetzstellers 4411 another switch 5411 on that between choke 5211 and a connection point of the two switches connected in series 4611 and 4811 is arranged. By means of this switch 5411 may be a faulty capacitive memory cell 3211 from the series connection of the capacitive memory cells 3211 , ..., 32mn the energy storage device 8th be removed so that the energy storage device 8th can be operated with a changed capacity value. This will be the switch 5411 , which is closed during normal operation, opened. In addition, the two switches 4611 and 4811 closed so that the outputs of the cell-based Hochtiefsetzstellers 4411 are shorted. As a result, the energy storage arrangement 8th continue to operate redundantly.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Energiespeicheranordnung 8 können fehlerhafte kapazitive Speicherzellen 3211, ..., 32mn ausgetauscht werden, ohne dass sich dadurch an der verfügbaren Kapazität dieser Energiespeicheranordnung 8 was ändert. Außerdem kann mittels der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 8 seine Kapazität und die Systemspannung unabhängig voneinander optimiert werden.Due to the inventive design of an energy storage device 8th can faulty capacitive memory cells 3211 , ..., 32mn be replaced without affecting the available capacity of this energy storage device 8th what changes. In addition, by means of the energy storage arrangement according to the invention 8th its capacity and system voltage are optimized independently.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (6)

Energiespeicheranordnung (8) mit wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Speichermodulen (301, ..., 30m), die jeweils eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen (321, ..., 32n) aufweisen, und mit einer Batteriesteuereinrichtung (40), die signaltechnisch mit jeder kapazitiven Speicherzelle (3211, ..., 32mn) verknüpft ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede kapazitive Speicherzelle (3211, ..., 32mn) mit einem Hochtiefsetzsteller (4411, ..., 44mn) verschaltet ist und dass jeder Ausgang dieser Hochtiefsetzsteller (4411, ..., 44mn) mit der Batteriesteuereinrichtung (40) signaltechnisch verknüpft sind.Energy storage arrangement ( 8th ) with at least two memory modules connected in series ( 301 , ..., 30m ), each of a plurality of electrically connected in series capacitive memory cells ( 321 , ..., 32n ), and with a battery control device ( 40 ), which can be signaled with each capacitive memory cell ( 3211 , ..., 32mn ), characterized in that each capacitive memory cell ( 3211 , ..., 32mn ) with a high step-down converter ( 4411 , ..., 44 mN ) and that each output of these step-down converters ( 4411 , ..., 44 mN ) with the battery control device ( 40 ) are technically linked. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hochtiefsetzsteller (4411, ..., 44mn) mit einer Trennvorrichtung versehen ist.Energy storage arrangement ( 8th ) according to claim 1, characterized in that each high step-down converter ( 4411 , ..., 44 mN ) is provided with a separating device. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hochtiefsetzsteller (4411, ..., 44mn) aus mehreren Teil-Hochtiefsetzsteller besteht, die elektrisch parallel geschaltet sind.Energy storage arrangement ( 8th ) according to claim 1 or 2, characterized in that each high-setting converter ( 4411 , ..., 44 mN ) consists of several sub-high step-down converter, which are electrically connected in parallel. Energiespeicheranordnung (8) nach einer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als abschaltbarer Halbleiterschalter (46, 48) eines jeden Hochtiefsetzsteller (4411, ..., 44mn) jeweils ein MOSFET vorgesehen ist.Energy storage arrangement ( 8th ) according to one of the preceding claims, characterized in that as turn-off semiconductor switch ( 46 . 48 ) of each high step-down converter ( 4411 , ..., 44 mN ) is provided in each case a MOSFET. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennvorrichtung ein abschaltbarer Halbleiterschalter (54) vorgesehen ist.Energy storage arrangement ( 8th ) according to claim 2, characterized in that a disconnectable semiconductor switch ( 54 ) is provided. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der abschaltbare Halbleiterschalter (54) ein MOSFET ist.Energy storage arrangement ( 8th ) according to claim 5, characterized in that the turn-off semiconductor switch ( 54 ) is a MOSFET.
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