DE102010041077A1

DE102010041077A1 - System zum Laden eines Energiespeichers und Verfahren zum Betrieb des Ladesystems

Info

Publication number: DE102010041077A1
Application number: DE102010041077A
Authority: DE
Inventors: Peter Feuerstack; Erik Weissenborn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2012038176A2; WO2012038176A3; US20130257355A1; EP2619893A2; CN103119843A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Laden mindestens einer Energiespeicherzelle (5) in einem steuerbaren Energiespeicher (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) auf, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen. Die Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) sind einerseits mit einer Bezugsschiene (T–) verbunden und andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbunden. In Abhängigkeit von Steuersignalen unterbrechen die Koppeleinheiten (6) entweder den Energieversorgungszweig (3-1, 3-2, 3-3) oder sie überbrücken die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den Energieversorgungszweig (3-1, 3-2, 3-3). Alle Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) sind über mindestens eine Induktivität (8-U; 8-V; 8-W; 9) und eine Gleichrichtereinheit (10) mit einem externen Energieversorgungsnetz verbindbar. Außerdem ist die Bezugsschiene (T–) mit der Gleichrichtereinheit (10) verbindbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Laden eines Energiespeichers und ein Verfahren zum Betrieb des Ladesystems.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z. B. Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. In herkömmlichen Anwendungen wird eine elektrische Maschine, welche z. B. als Drehfeldmaschine ausgeführt ist, über einen Umrichter in Form eines Wechselrichters gesteuert. Kennzeichnend für derartige Systeme ist ein sogenannter Gleichspannungszwischenkreis, über welchen ein Energiespeicher, in der Regel eine Batterie, an die Gleichspannungsseite des Wechselrichters angeschlossen ist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Energiespeicher bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriezellen bringt neben einer hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass der gesamte Energiespeicher ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil dann kein Batteriestrom mehr fließen kann. Ein solcher Ausfall des Energiespeichers kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Fahrzeug kann ein Ausfall der Antriebsbatterie zum ”Liegenbleiben” des Fahrzeugs führen. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen, kann es bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z. B. starkem Wind, sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist stets eine hohe Zuverlässigkeit des Energiespeichers anzustreben, wobei mit ”Zuverlässigkeit” die Fähigkeit eines Systems bezeichnet wird, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten.
In den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027 857 und DE 10 2010 027 861 sind Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind. Die Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete (mindestens eine) Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete (mindestens eine) Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z. B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der elektrischen Maschine erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Batterie integriert. Zum Zwecke der Offenbarung werden diese beiden älteren Anmeldungen vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein System zum Laden mindestens einer Energiespeicherzelle in einem steuerbaren Energiespeicher, welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n ≥ 1, dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher n parallele Energieversorgungszweige auf, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. In Abhängigkeit von Steuersignalen unterbrechen die Koppeleinheiten entweder den Energieversorgungszweig oder sie überbrücken die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig. Alle Energieversorgungszweige sind über mindestens eine Induktivität und eine Gleichrichtereinheit mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Wechsel- oder Dreh-Stromnetz, verbindbar. Außerdem ist die Bezugsschiene mit der Gleichrichtereinheit verbindbar.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Ladesystems. Dabei werden alle Energieversorgungszweige über mindestens eine Induktivität und eine Gleichrichtereinheit mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, und die Bezugsschiene mit der Gleichrichtereinheit verbunden. In einer Ladephase werden alle Koppeleinheiten derjenigen Energiespeichermodule welche in einem Energieversorgungszweig von zu ladenden Energiespeicherzellen liegen, derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen überbrückt werden. In einer der Ladephase folgenden Freilaufphase werden alle Koppeleinheiten, welche zu ladenden Energiespeicherzellen zugeordnet sind, derart gesteuert, dass die zugeordneten Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energieversorgungszweig geschaltet werden. Alle Koppeleinheiten, welche in dem Energieversorgungszweig von zu ladenden Energiespeicherzellen liegen, selbst aber keinen zu ladenden Energiespeicherzellen zugeordnet sind, derart gesteuert werden, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen überbrückt werden.
Vorteile der Erfindung
Zur Einhaltung von EMV-Normen (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) ist für Ladegeräte der Einsatz einer Leistungsfaktorkorrektur – häufig auch als Power Factor Correction oder Power Factor Compensation (PFC) bezeichnet – erforderlich. Diese regelt den aufgenommenen Netzstrom mittels eines Leistungsschalters einem sinusförmigen Verlauf nach und minimiert dabei dessen Oberwellengehalt. Des Weiteren können auch Netzspannungsschwankungen ausgeglichen werden. Eine typische Realisierung einer PFC-Schaltung umfasst einen Brückengleichrichter sowie eine nachfolgende Hochsetzstellerstufe, wie in 1 dargestellt. Die Erfindung basiert auf der Grundidee, die ohnehin vorhandenen Koppeleinheiten des steuerbaren Energiespeichers zur Realisierung einer Ladefunktion mit Leistungsfaktorkorrektur zu nutzen. Dies wird dadurch realisiert, dass die Koppeleinheiten während eines Ladevorgangs analog zu den Schaltelementen eines Hochsetzstellers betrieben werden, wobei der mindestens einen Induktivität in einer Ladephase Energie zugeführt und dort gespeichert wird, welche anschließend in einer Freilaufphase an die zu ladenden Energiespeicherzellen abgegeben wird. Dabei entsteht nur minimaler zusätzlicher Hardware-Aufwand für die notwendigen Freilaufdioden, was mit geringen Kosten und geringem Platzbedarf einhergeht.
Mit den erfindungsgemäßen Systemen und Verfahren ist sowohl die Ladung von Energiespeicherzellen eines einzelnen Energiespeichermoduls als auch die gleichzeitige Ladung von Energiespeicherzellen mehrerer Energiespeichermodule möglich. Im Fall einer mehrphasigen elektrischen Maschine können auch die Energiespeicherzellen von Energiespeichermodulen, welche in verschiedenen Energieversorgungszweigen liegen, gleichzeitig geladen werden.
Vorteilhaft kann auch die Motorinduktivität in Form von Statorwicklungen der elektrischen Maschine zur Realisierung der Ladefunktion mit Leistungsfaktorkorrektur mitgenutzt werden. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Statorwicklungen während eines Ladevorgangs als Induktivitäten eines Hochsetzstellers genutzt werden. Demgemäß sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Energieversorgungszweige einerseits mit einem Bezugspotential – im Folgenden als Bezugsschiene bezeichnet – und andererseits mit jeweils einer Phase der elektrischen Maschine verbidndbar sind und die mindestens eine Induktivität zumindest teilweise durch Statorwicklungen der elektrischen Maschine gebildet wird.
Bei der Mitnutzung der Motorinduktivität der elektrischen Maschine, gilt es allerdings den Aufbau unerwünschter Momente in der elektrischen Maschine während des Ladevorgangs zu vermeiden. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die elektrische Maschine während des Ladevorgangs mechanisch blockiert wird, z. B. mit Hilfe einer Getriebesperrklinke. Alternativ kann auch die Rotorlage der elektrischen Maschine überwacht werden, z. B. mit Hilfe einer entsprechenden Sensorik, und im Falle einer detektierten Rotorbewegung abgeschaltet werden.
Sind die Phasen der elektrischen Maschine in Sternschaltung miteinander verschaltet, so ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Gleichrichtereinheit einen Gleichrichter, insbesondere einen Diodengleichrichter, umfasst und ein Sternpunkt der Phasen der elektrischen Maschine mit dem Gleichrichter verbindbar ist.
Sind die Induktivitäten der Statorwicklungen der elektrischen Maschine nicht ausreichend, so kann zwischen den Gleichrichter und den Sternpunkt der elektrischen Maschine eine zusätzliche Ladeinduktivität geschaltet sein.
Sind die Phasen der elektrischen Maschine dagegen in n-Eckschaltung miteinander verschaltet, so ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Gleichrichtereinheit n Gleichrichter, insbesondere Diodengleichrichter, umfasst und jede Phase der elektrischen Maschine mit jeweils einem Gleichrichter verbindbar ist.
Auch in diesem Fall können, falls die Induktivitäten der Statorwicklungen der elektrischen Maschine nicht ausreichen, zusätzliche Ladeinduktivitäten vorgesehen sein, wobei die Phasen der elektrischen Maschine jeweils über eine zusätzliche Ladeinduktivität mit jeweils einem Gleichrichter verbindbar sind.
Zur weiteren Verbesserung der EMV ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Netzfilter zwischen die Gleichrichtereinheit und das externe Energieversorgungsnetz schaltbar.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer PFC-Schaltung,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems in einer Ladephase aus einem einphasigen Energieversorgungsnetz,
3 das Ladesystem gemäß 2 in einer Freilaufphase,
4 eine schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems bei Ladung aus einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz (elektrische Maschine mit Sternschaltung) und
5 eine schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems bei Ladung aus einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz (elektrische Maschine mit Dreieckschaltung)
Ausführungsformen der Erfindung
Die 2 und 3 zeigen eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems. An eine dreiphasige elektrische Maschine 1 ist ein steuerbarer Energiespeicher 2 angeschlossen. Der steuerbare Energiespeicher 2 umfasst drei Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3, welche einerseits mit einem Bezugspotential T– (Bezugsschiene), welches in der dargestellten Ausführungsform ein niedriges Potential führt, und andererseits jeweils mit den einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind. Jeder der Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3 weist m in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 4-11 bis 4-1m bzw. 4-21 bis 4-2m bzw. 4-31 bis 4-3m auf, wobei m ≥ 2. Die Energiespeichermodule 4 wiederum umfassen jeweils mehrere in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherzellen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich in dem mit der Phase W der elektrischen Maschine 1 verbundenen Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 5-31 bis 5-3m versehen sind. Die Energiespeichermodule 4 umfassen des Weiteren jeweils eine Koppeleinheit, welche den Energiespeicherzellen 5 des jeweiligen Energiespeichermoduls 4 zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind auch die Koppeleinheiten lediglich in dem Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 6-31 bis 6-3m versehen. In der dargestellten Ausführungsvariante werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch zwei steuerbare Schaltelemente 7-311 und 7-312 bis 7-3m1 und 7-3m2 gebildet. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z. B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
Die Koppeleinheiten 6 ermöglichen es, den jeweiligen Energieversorgungszweig 3, durch Öffnen beider Schaltelemente 7 einer Kopplungseinheit 6 zu unterbrechen. Alternativ können die Energiespeicherzellen 5 durch Schließen jeweils eines der Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 entweder überbrückt werden, z. B. durch Schließen des Schalters 7-311 oder in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden, z. B. durch Schließen des Schalters 7-312.
Die Gesamt-Ausgangsspannung der Energieversorgungszweige 3-1 bis 3-3 werden bestimmt durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 und kann stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Spannung der einzelnen Energiespeichermodule 4. Geht man von der bevorzugten Ausführungsform gleichartig ausgestalteter Energiespeichermodule 4 aus, so ergibt sich eine maximal mögliche Gesamt-Ausgangsspannung aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls 4 mal der Anzahl m der pro Energieversorgungszweig in Reihe geschalteten Energiespeichermodule 4.
Die Koppeleinheiten 6 erlauben es damit, die Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinheiten 6 durch den steuerbaren Energiespeicher 2 gesteuert werden. Der steuerbare Energiespeicher 2 erfüllt also insofern eine Doppelfunktion, da er einerseits der elektrischen Energieversorgung andererseits aber auch der Steuerung der elektrischen Maschine 1 dient.
Die elektrische Maschine 1 weist Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in Sternschaltung miteinander verschaltet sind.
Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als dreiphasige Drehstrommaschine ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Nach der Phasenanzahl der elektrischen Maschine richtet sich natürlich auch die Anzahl der Energieversorgungszweige 3 in dem steuerbaren Energiespeicher 2.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jedes Energiespeichermodul 4 jeweils mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5 auf. Die Energiespeichermodule 4 können aber alternativ auch jeweils nur eine einzige Energiespeicherzelle oder auch parallel geschaltete Energiespeicherzellen aufweisen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch zwei steuerbare Schaltelemente 7 gebildet. Die Koppeleinheiten 6 können aber auch durch mehr oder weniger steuerbare Schaltelemente realisiert sein, solange die notwendigen Funktionen (Unterbrechen des Energieversorgungszweiges, Überbrücken der Energieversorgungszellen und Schalten der Energieversorgungszellen in den Energieversorgungszweig) realisierbar sind. Beispielhafte alternative Ausgestaltungen einer Koppeleinheit ergeben sich aus den älteren Anmeldungen DE XX und DE YY. Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, dass die Koppeleinheiten Schaltelemente in Vollbrückenschaltung aufweisen, was die zusätzliche Möglichkeit einer Spannungsumkehr am Ausgang des Energiespeichermoduls bietet.
Um die Ladung von Energiespeicherzellen 5 eines oder mehrerer Energiespeichermodule 4 zu ermöglichen, ist ein Sternpunkt S der elektrischen Maschine 1 über eine zusätzliche Ladeinduktivität 9 mit einer Gleichrichtereinheit 10 verbunden. Außerdem ist die Bezugsschiene T– mit der Gleichrichtereinheit 10 verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass die zusätzliche Ladeinduktivität 9 für die Anwendbarkeit der Erfindung nicht erforderlich ist und lediglich dann Verwendung finden kann, wenn die Induktivitäten der Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W zur Realisierung der Ladefunktion oder der erforderlichen Leistungsfaktorkorrektur nicht ausreichen. Die Gleichrichtereinheit 10 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielhaft einen Diodengleichrichter 11 in B2-Schaltung. Der Diodengleichrichter 11 ist über einen an sich bekannten Netzfilter 12 an ein nicht dargestelltes einphasiges externes Energieversorgungsnetz, insbesondere ein öffentliches (Wechsel-)Stromnetz, anschließbar.
Im Folgenden wird exemplarisch der Ladevorgang der Energiespeicherzellen 5 eines einzelnen Energiespeichermoduls 4, nämlich der Energiespeicherzellen 5-3m des Energiespeichermoduls 4-3m in dem Energieversorgungszweig 3-3 beschrieben.
Während einer Ladephase, welche in 1 dargestellt ist, werden die Koppeleinheiten 6-31 bis 6-3m der Energiespeichermodule 4-31 bis 4-3m, welche in dem Energieversorgungszweig 3-3 liegen, in welchem auch die zu ladenden Energiespeicherzellen 5-3m liegen, durch eine nicht dargestellte Steuereinheit derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen 5-31 bis 5-3m überbrückt werden. Dies wird konkret dadurch erreicht, dass die Schaltelemente 7-311 bis 7-3m1 geschlossen werden, wohingegen die Schaltelemente 7-312 bis 7-3m2 geöffnet werden. Alle übrigen Koppeleinheiten 6, das heißt alle Koppeleinheiten 6 in den Energiespeichermodulen 4 der anderen beiden Energieversorgungszweige 3-1 und 3-2 werden ebenfalls derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen 5-31 bis 5-3m überbrückt werden. Eine derartige Steuerung der Koppeleinheiten 6 in den Energieversorgungszweigen 3-1 und 3-2, welche keine zu ladenden Energiespeicherzellen 5 umfassen, ist sinnvoll, um grundsätzlich auch für diese Energiespeicherzellen eine Ladeoption zu erreichen. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Koppeleinheiten 6 in den Energieversorgungszweigen 3-1 und 3-2, welche keine zu ladenden Energiespeicherzellen 5 umfassen, auch anders angesteuert werden können, insbesondere derart, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige 3-1 und/oder 3-2 unterbrochen werden.
Die Überbrückung der Energiespeicherzellen 5-31 bis 5-3m in dem Energieversorgungszweig 3-3, in welchem auch die zu ladenden Energiespeicherzellen 5-3m liegen, bewirkt einen Stromfluss durch die zusätzliche Ladeinduktivität 9 und die Statorwicklung 8-W, so dass während der Ladephase elektrische Energie in der zusätzlichen Ladeinduktivität 9 und der Statorwicklung 8-W gespeichert wird.
In einer der Ladephase folgenden Freilaufphase, welche in 3 dargestellt ist, wird die Koppeleinheit 6-3m, welche den zu ladenden Energiespeicherzellen 5-3m zugeordnet ist, derart gesteuert, dass die zugeordneten Energiespeicherzellen 5-31 in den Energieversorgungszweig 3-3 geschaltet werden. Dies wird konkret dadurch erreicht, dass das Schaltelement 7-3m2 geschlossen und das Schaltelement 7-3m1 geöffnet wird. Alle übrigen Koppeleinheiten 6-32 bis 6-3m, welche in dem Energieversorgungszweig 3-3 der zu ladenden Energiespeicherzellen 5-31 liegen, die selbst aber keinen zu ladenden Energiespeicherzellen 5 zugeordnet sind, werden derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen überbrückt werden (Schließen der Schaltelemente 7-311 bis 7-3(m-1)1 und Öffnen der Schaltelemente 7-312 bis 7-3(m-1)2). Alle übrigen Koppeleinheiten 6, das heißt alle Koppeleinheiten 6 in den Energiespeichermodulen 4 der anderen beiden Energieversorgungszweige 3-1 und 3-2 werden derart gesteuert, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige 3-1 bzw. 3-2 unterbrochen werden. Konkret wird dies dadurch erreicht, dass jeweils beide Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 geöffnet werden.
Eine derartige Steuerung der Koppeleinheiten 6-31 bis 6-3m bewirkt eine elektrische Verbindung der zusätzlichen Ladeinduktivität 9 und der Statorwicklung 8-W mit den zu ladenden Energiespeicherzellen 5-3m. Die zusätzliche Ladeinduktivität 9 und die Induktivität der Statorwicklung 8-W treiben dabei den Strom weiter und laden auf diese Weise die Energiespeicherzellen 5-3m auf.
Bei der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform werden die Induktivitäten der Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W als Induktivitäten einer Leistungsfaktorkorrektur mitgenutzt. Die Koppeleinheiten 6 übernehmen dabei die zur Realisierung der Leistungsfaktorkorrektur erforderlichen Steuerung des aufgenommenen Netzstroms, in dem die Koppeleinheiten 6 mit einem geeigneten Tastgrad angesteuert werden. Da die Funktion einer Leistungsfaktorkorrektur grundsätzlich bekannt ist, soll sie an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.
Um die Erzeugung unerwünschter Momente in der elektrischen Maschine 1 während des Ladebetriebs zu vermeiden, kann die elektrische Maschine 1 während des Ladevorgangs mechanisch blockiert werden, z. B. mit Hilfe einer Getriebesperrklinke. Alternativ kann auch die Rotorlage der elektrischen Maschine 1 überwacht werden, z. B. mit Hilfe einer entsprechenden Sensorik, und im Falle einer detektierten Rotorbewegung abgeschaltet werden.
Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform kann die zur Leistungsfaktorkorrektur erforderliche Induktivität auch ausschließlich durch eine externe Ladeinduktivität, wie z. B. die zusätzliche Ladeinduktivität 9, ohne Nutzung der Statorwicklungen 8-u, 8-V und 8-W, gebildet werden.
Die 4 und 5 zeigen beispielhafte schematische Prinzipdarstellungen eines erfindungsgemäßen Ladesystems bei Ladung aus einem dreiphasigen Energieversorgungsnetz. Dabei sind die Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W der elektrischen Maschine gemäß 4 analog zur Darstellung in den 2 und 3 in Sternschaltung verschaltet. Das Ladesystem gemäß 4 unterscheidet sich damit von dem in den 2 und 3 dargestellten Ladesystem lediglich dadurch, dass die Gleichrichtereinheit 10 anstelle eines Diodengleichrichters in B2-Schaltung einen Diodengleichrichter 40 in B6-Schaltung umfasst, welcher direkt oder über ein nicht dargestelltes Netzfilter an ein nicht dargestelltes dreiphasiges externes Energieversorgungsnetz, insbesondere ein öffentliches (Dreh-)Stromnetz, anschließbar ist.
Bei dem Ladesystem gemäß 5 sind die Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W nicht in Sternschaltung, sondern in Dreieckschaltung verschaltet. Bei einer derartigen Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 umfasst die Gleichrichtereinheit 10 für jede Phase U, V, W der elektrischen Maschine 1 einen eigenen Gleichrichter 50-1 bzw. 50-2 bzw. 50-3, welche beispielhaft als Diodengleichrichter in B2-Schaltung ausgeführt sind. Jede Phase U, V, W bzw. jede Statorwicklung 8-U, 8-V und 8-W der elektrischen Maschine (1) ist dabei mit jeweils einem Gleichrichter 50-1 bzw. 50-2 bzw. 50-3 verbunden. Die Gleichrichter 50-1, 50-2 und 50-3 wiederum sind direkt oder über ein nicht dargestelltes Netzfilter an ein nicht dargestelltes dreiphasiges externes Energieversorgungsnetz, insbesondere ein öffentliches (Dreh-)Stromnetz, anschließbar. Dabei sind die einzelnen Gleichrichter 50-1, 50-2 und 50-3 mit jeweils zwei Phasen L1 und L2 bzw. L2 und L3 bzw. L1 und L3 des externen Energieversorgungsnetzes verbindbar.
Auch für die in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung gilt, dass die zur Realisierung der Leistungsfaktorkorrektur erforderlichen Induktivitäten, wie dargestellt, durch die Motorinduktivitäten der elektrischen Maschine 1 oder alternativ dazu durch externe Ladeinduktivitäten oder einer Kombination der Motorinduktivitäten mit externen Ladeinduktivitäten gebildet werden können.
Um sicherzustellen, dass die während der Ladephase in der/den Induktivität(en) gespeicherte Energie in der Freilaufphase abgebaut werden kann und ein ausreichender Leistungsfaktor erzielbar ist, muss die minimale Gesamt-Spannung an einem Energieversorgungszweig 3-1, 3-2, 3-3 (entladener Zustand) größer sein, als ein Scheitelwert der gleichgereichteten Netzspannung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010027857 [0004]
DE 102010027861 [0004]

Claims

System zum Laden mindestens einer Energiespeicherzelle (5) in einem steuerbaren Energiespeicher (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, dient, wobei – der steuerbare Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) aufweist, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen, – die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von Steuersignalen den Energieversorgungszweig (3) unterbrechen oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrücken oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den Energieversorgungszweig (3) schalten, – alle Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) über mindestens eine Induktivität (8-U; 8-V; 8-W; 9) und eine Gleichrichtereinheit (10) mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbindbar sind und – die Bezugsschiene (T–) mit der Gleichrichtereinheit (10) verbindbar ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) einerseits mit einer Bezugsschiene (T–) und andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind und die mindestens eine Induktivität zumindest teilweise durch Statorwicklungen (8-U, 8-V, 8-W) der elektrischen Maschine (1) gebildet wird.
System nach Anspruch 2, wobei – die Gleichrichtereinheit (10) einen Gleichrichter (11; 40), insbesondere einen Diodengleichrichter, umfasst, – die Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) in Sternschaltung miteinander verschaltet sind und – ein Sternpunkt (S) der Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) mit dem Gleichrichter (11; 40) verbindbar ist.
System nach Anspruch 3 wobei zwischen den Gleichrichter (11; 40) und den Sternpunkt (S) der elektrischen Maschine (1) eine zusätzliche Ladeinduktivität (9) schaltbar ist.
System nach Anspruch 2, wobei – die Gleichrichtereinheit (10) n Gleichrichter (50-1, 50-2, 50-3), insbesondere Diodengleichrichter, umfasst, – die Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) in n-Eckschaltung miteinander verschaltet sind und – jede Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) mit jeweils einem Gleichrichter (50-1, 50-2, 50-3) verbindbar ist.
System nach Anspruch 5, wobei die Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) jeweils über eine zusätzliche Ladeinduktivität mit jeweils einem Gleichrichter (50-1, 50-2, 50-3) verbindbar sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen die Gleichrichtereinheit (10) und das externe Energieversorgungsnetz ein Netzfilter (12) schaltbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem – alle Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) über mindestens eine Induktivität (8-U; 8-V; 8-W; 9) und eine Gleichrichtereinheit (10) mit einem externen Energieversorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Stromnetz, verbunden werden und die Bezugsschiene (T–) mit der Gleichrichtereinheit (10) verbunden wird, – in einer Ladephase – alle Koppeleinheiten (6-31 bis 6-3m) derjenigen Energiespeichermodule (4-31 bis 4-3m), welche in einem Energieversorgungszweig (3-3) von zu ladenden Energiespeicherzellen (5-3m) liegen, derart gesteuert werden, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5-31 bis 5-3m) überbrückt werden, und – in einer der Ladephase folgenden Freilaufphase – alle Koppeleinheiten (6-3m), welche zu ladenden Energiespeicherzellen (5-3m) zugeordnet sind, derart gesteuert werden, dass die zugeordneten Energiespeicherzellen (5-3m) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-3) geschaltet werden, – alle Koppeleinheiten (6-31 bis 6-3(m-1)), welche in dem Energieversorgungszweig (3-3) von zu ladenden Energiespeicherzellen (5-3m) liegen, selbst aber keinen zu ladenden Energiespeicherzellen (5) zugeordnet sind, derart gesteuert werden, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5-31 bis 5-3(m-1)) überbrückt werden, und – alle übrigen Koppeleinheiten (6-11 bis 6-1m, 6-21 bis 6-2m) derart gesteuert werden, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige (3-1, 3-2) unterbrochen werden.