DE102010064314A1 - System for coupling at least one AC power source to a controllable energy storage and associated operating method - Google Patents

System for coupling at least one AC power source to a controllable energy storage and associated operating method Download PDF

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Erik Weissenborn
Martin Kessler
Thorsten Mausbach
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Ankopplung mindestens einer Wechselstromquelle (9) an einen 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 einerseits mit einer Bezugsschiene (T-) und andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind. Mindestens eine n-phasige Wechselstromquelle (9) ist mit den einzelnen Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) koppelbar.The invention relates to a system for coupling at least one alternating current source (9) to a controllable energy store (2), which is used to control and supply electrical energy to an n-phase electrical machine (1) with n ≥ 1. The controllable energy store (2) has n parallel energy supply branches (3-1, 3-2, 3-3), which on the one hand have a reference rail (T-) and on the other hand each have a phase (U, V, W) of the electrical ones Machine (1) can be connected. At least one n-phase alternating current source (9) can be coupled to the individual energy supply branches (3-1, 3-2, 3-3).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Ankopplung mindestens einer Wechselstromquelle an einen steuerbaren Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Systems.The invention relates to a system for coupling at least one AC source to a controllable energy store and to a method for operating the system according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

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.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, such. As wind turbines, as well as in vehicles such as hybrid or electric vehicles, increasingly electronic systems are used, combining new energy storage technologies with electric drive technology. In conventional applications, an electrical machine, which z. B. is designed as a rotating field machine, controlled by a converter in the form of an inverter. Characteristic of such systems is a so-called DC voltage intermediate circuit, via which an energy store, usually a battery, is connected to the DC side of the inverter. In order to meet the power and energy requirements of each application, multiple battery cells are connected in series. Since the power provided by such an energy store must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current.

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.The series connection of several battery cells in addition to a high total voltage involves the problem that the entire energy storage fails if a single battery cell fails, because then no battery power can flow. Such a failure of the energy storage can lead to a failure of the entire system. In a vehicle, failure of the traction battery can result in the vehicle "stalling". For other applications, such as. B. the rotor blade adjustment of wind turbines, it may be in unfavorable conditions such. B. strong wind, even come to safety-threatening situations. Therefore, a high reliability of the energy storage is always desirable, with "reliability" is the ability of a system to work for a given time error-free.

In den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027857 und DE 10 2010 027861 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.In the older applications DE 10 2010 027857 and DE 10 2010 027861 Batteries are described with multiple battery module strings, which are directly connected to an electrical machine. The battery module strands in this case have a plurality of battery modules connected in series, each battery module having at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows depending on control signals to interrupt the respective battery module strand or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each assigned to switch at least one battery cell in the respective battery module string. By suitable control of the coupling units, z. B. by means of pulse width modulation, suitable phase signals for controlling the electric machine can be provided, so that can be dispensed with a separate pulse inverter. The required for controlling the electrical machine pulse inverter is so to speak integrated into the battery. For purposes of disclosure, these two earlier applications are fully incorporated into the present application.

Sollen derartige Batterien z. B. in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, ist zu beachten, dass heute verfügbare Batterietechnologien die Reichweite der Elektrofahrzeuge erheblich limitieren.Should such batteries z. As used in electric vehicles, it should be noted that currently available battery technologies significantly limit the range of electric vehicles.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft ein System zur Ankopplung mindestens einer Wechselstromquelle an einen steuerbaren Energiespeicher, welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n ≥ 1, dient. Der steuerbare Energiespeicher weist dabei n parallele Energieversorgungszweige auf, welche einerseits mit einer Bezugsschiene und andererseits mit jeweils einer Phase der elektrischen Maschine verbindbar sind. Zur Einspeisung von elektrischer Energie ist mindestens eine n-phasige Wechselstromquelle vorgesehen, welche mit den einzelnen Energieversorgungszweigen koppelbar ist.The present invention provides a system for coupling at least one AC source to a controllable energy store, which serves the control and the electrical power supply of an n-phase electric machine, with n ≥ 1. The controllable energy storage in this case has n parallel power supply branches, which are connectable on the one hand with a reference rail and on the other hand, each with a phase of the electric machine. For the supply of electrical energy at least one n-phase AC power source is provided, which can be coupled to the individual power supply branches.

Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems, wobei zur Unterstützung der Energieversorgung der elektrischen Maschine und/oder zum Laden des steuerbaren Energiespeichers die mindestens eine Wechselstromquelle mit den einzelnen Energieversorgungszweigen des steuerbaren Energiespeichers gekoppelt wird.The present invention also provides a method for operating a system according to the invention, wherein the at least one alternating current source is coupled to the individual energy supply branches of the controllable energy store in order to support the power supply of the electrical machine and / or to charge the controllable energy store.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die erfindungsgemäße Ankopplung einer zusätzlichen Wechselstromquelle an den steuerbaren Energiespeicher ist es möglich, zusätzliche elektrische Energie zur Verfügung zu stellen und auf diese Weise zum Beispiel die Reichweite eines Elektrofahrzeugs erheblich zu verlängern. Die zur Verfügung gestellte Energie kann dabei je nach aktuellem Betriebszustand des steuerbaren Energiespeichers und der elektrischen Maschine entweder zum Laden von Energiespeicherzellen der steuerbaren Energiequelle oder zur Unterstützung der steuerbaren Energiequelle bei der Energieversorgung der elektrischen Maschine genutzt werden. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich dabei insbesondere durch eine einfach realisierbare und damit kostengünstige Schaltungstopologie aus.The inventive coupling of an additional AC source to the controllable energy storage, it is possible to provide additional electrical energy available and to extend in this way, for example, the range of an electric vehicle significantly. Depending on the current operating state of the controllable energy store and the electrical machine, the energy provided can either be used to charge energy storage cells of the controllable energy source or to support the controllable energy source Energy source can be used in the power supply of the electrical machine. The system according to the invention is characterized in particular by an easily realizable and therefore cost-effective circuit topology.

Um einen Betrieb der elektrischen Maschine und des steuerbaren Energiespeichers auch ohne Unterstützung der Wechselstromquelle zu ermöglichen, sind gemäß einer Ausführungsform der Erfindung steuerbare Schaltelemente vorgesehen, mit deren Hilfe die mindestens eine Wechselstromquelle mit den einzelnen Energieversorgungszweigen koppelbar istIn order to enable operation of the electric machine and the controllable energy storage even without the support of the AC power source, controllable switching elements are provided according to an embodiment of the invention, with the aid of which at least one AC power source can be coupled to the individual power supply branches

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wechselstromquelle, insbesondere mit Hilfe der steuerbaren Schaltelemente, parallel zu den Energieversorgungszweigen des steuerbaren Energiespeichers schaltbar. Liegt der von der elektrischen Maschine benötigte Strom über dem von der Wechselstromquelle zur Verfügung gestellten Wert, gleicht der steuerbare Energiespeicher die Differenz aus. Im umgekehrten Fall nimmt der steuerbare Energiespeicher die Differenz auf, wodurch Energiespeicherzellen des steuerbaren Energiespeichers durch die Wechselstromquelle geladen werden.According to one embodiment of the invention, the alternating current source, in particular with the aid of the controllable switching elements, can be connected in parallel with the energy supply branches of the controllable energy store. If the current required by the electrical machine is above the value provided by the AC power source, the controllable energy store compensates for the difference. In the opposite case, the controllable energy storage takes on the difference, whereby energy storage cells of the controllable energy storage are charged by the AC power source.

Eine ähnliche Wirkung kann erzielt werden, wenn die mindestens eine Wechselstromquelle, insbesondere mit Hilfe der steuerbaren Schaltelemente, nicht parallel, sondern in Reihe zu den Energieversorgungszweigen des steuerbaren Energiespeichers geschaltet werden kann. Über Energiespeicherzellen des steuerbaren Energiespeichers wird die Differenz zwischen der an der elektrischen Maschine gewünschten Phasenspannung und der von der Wechselstromquelle zur Verfügung gestellten Spannung eingestellt. Damit kann der steuerbare Energiespeicher die Wechselstromquelle unterstützen oder die Energiespeicherzellen des steuerbaren Energiespeichers können mit Hilfe der Wechselstromquelle geladen werden. Dabei können die Phasenspannungen der elektrischen Maschine von den Phasenspannungen der Wechselstromquelle sowohl bezüglich Amplitude als auch Frequenz verschieden sein.A similar effect can be achieved if the at least one alternating current source, in particular with the aid of the controllable switching elements, can not be connected in parallel, but in series with the energy supply branches of the controllable energy store. About energy storage cells of the controllable energy storage, the difference between the desired voltage at the electrical machine phase voltage and the voltage provided by the AC power source is set. Thus, the controllable energy storage can support the AC power source or the energy storage cells of the controllable energy storage can be loaded using the AC power source. In this case, the phase voltages of the electric machine may be different from the phase voltages of the alternating current source both in terms of amplitude and frequency.

Eine besonders effiziente Energieeinspeisung bei hoher Verfügbarkeit lässt sich erreichen, wenn die Wechselstromquelle einen Reichweitenverlängerer (range extender) mit einem durch einen Verbrennungsmotor angetrieben Wechselstromgenerator umfasst.Highly efficient, high energy input can be achieved when the AC source includes a range extender with an alternator driven by an internal combustion engine.

Alternativ oder zusätzlich können aber auch beliebige andere Wechselstromquellen, wie z. B. ein beliebiges dreiphasiges Netz, insbesondere das öffentliche Netz, genutzt werden.Alternatively or additionally, but also any other AC sources, such. B. any three-phase network, in particular the public network, are used.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Energieversorgungszweige des steuerbaren Energiespeichers jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen, welche in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen überbrückt oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energieversorgungszweig schaltet. Durch eine derartige Ausgestaltung lässt sich die Doppelfunktion des steuerbaren Energiespeichers, nämlich Steuerung und Energieversorgung der elektrischen Maschine auf besonders einfache und effiziente Art realisieren.A further embodiment of the invention provides that the energy supply branches of the controllable energy store each have at least two energy storage modules connected in series, which each comprise at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit which bridges the respective associated energy storage cells depending on control signals or the respective associated energy storage cells Energy storage cells in the respective power supply branch switches. By such a configuration, the dual function of the controllable energy storage, namely control and power supply of the electric machine can be realized in a particularly simple and efficient way.

Bei einer derartigen Ausgestaltung des steuerbaren Energiespeichers besteht auch die Möglichkeit, die Wechselstromquelle mit jeweils einem Anschlusspunkt in dem jeweiligen Energieversorgungszweig zu verbinden, wobei die jeweiligen Anschlusspunkte zwischen zwei Energiespeichermodulen des jeweiligen Energieversorgungszweiges liegen. Die Koppeleinheit mindestens eines zwischen dem jeweiligen Anschlusspunkt und der Bezugsschiene liegenden Energiespeichermoduls kann dabei jeweils als steuerbares Schaltelement für den betreffenden Energieversorgungszweig genutzt werden. Dabei kann die gemeinsame Verbindung der Energieversorgungszweige mit Hilfe dieser Koppeleinheiten aufgetrennt werden und auf diese Weise die Wechselstromquelle in Reihe zu den darüber liegenden Energiespeichermodulen geschaltet werden. Auch diese Reihenschaltung stellt eine Kopplung der Wechselstromquelle mit den einzelnen Energieversorgungszweigen im Sinne der Anmeldung dar.In such an embodiment of the controllable energy storage, it is also possible to connect the alternating current source to a respective connection point in the respective energy supply branch, wherein the respective connection points lie between two energy storage modules of the respective energy supply branch. The coupling unit of at least one lying between the respective connection point and the reference rail energy storage module can be used in each case as a controllable switching element for the relevant power supply branch. In this case, the common connection of the power supply branches can be separated by means of these coupling units and in this way the AC power source can be connected in series with the overlying energy storage modules. This series circuit also represents a coupling of the AC power source with the individual power supply branches in the sense of the application.

Da die Wechselstromquelle bei dieser Ausführungsform nur zu den zwischen dem jeweiligen Anschlusspunkt und den Phasen der elektrischen Maschine liegenden Energiespeichermodulen in Serie geschaltet wird, ist es vorteilhaft, die Anschlusspunkte jeweils auf der, der Bezugsschiene abgewandten Seite des unmittelbar mit der Bezugsschiene verbundenen Energiespeichermoduls vorzusehen, so dass bei Ankopplung der Wechselstromquelle pro Energieversorgungszweig jeweils nur ein einziges Energiespeichermodul wirkungslos wird.Since the AC power source in this embodiment is connected in series only to the lying between the respective connection point and the phases of the electric machine energy storage modules, it is advantageous to provide the connection points respectively on the side facing away from the reference rail side of the directly connected to the reference rail energy storage module, so that when coupling the AC power source per energy supply branch in each case only a single energy storage module is ineffective.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Ankopplung mindestens einer Wechselstromquelle an einen steuerbaren Energiespeicher und 1 a schematic representation of a first embodiment of a system according to the invention for coupling at least one AC power source to a controllable energy storage and

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Ankopplung mindestens einer Wechselstromquelle an einen steuerbaren Energiespeicher. 2 a schematic representation of a second embodiment of a system according to the invention for coupling at least one AC power source to a controllable energy storage.

Die 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Systems zur Ankopplung mindestens einer Wechselstromquelle an einen steuerbaren Energiespeicher. 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 den dargestellten Ausführungsformen ein niedriges Potential führt, und andererseits jeweils mit 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 den dargestellten Ausführungsvarianten werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente 7-311, 7-312, 7-313 und 7-314 bis 7-3m1, 7-3m2, 7-3m3 und 7-3m4 gebildet, welche in Form einer Vollbrücke verschaltet sind. 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.The 1 and 2 show schematic representations of embodiments of a system according to the invention for coupling at least one AC power source to a controllable energy storage. To a three-phase electric machine 1 is a controllable energy store 2 connected. The controllable energy storage 2 includes three energy supply branches 3-1 . 3-2 and 3-3 , which on the one hand with a reference potential T- (reference rail), which leads in the illustrated embodiments, a low potential, and on the other hand in each case with individual phases U, V, W of the electric machine 1 are connected. Each of the power supply branches 3-1 . 3-2 and 3-3 has m series connected energy storage modules 4-11 to 4-1m respectively. 4-21 to 4-2m respectively. 4-31 to 4-3m on, where m ≥ 2. The energy storage modules 4 In turn, each comprise a plurality of series-connected electrical energy storage cells, which for reasons of clarity, only in that with the phase W of the electric machine 1 connected energy supply branch 3-3 with reference number 5-31 to 5-3m are provided. The energy storage modules 4 Furthermore, each comprise a coupling unit, which the energy storage cells 5 of the respective energy storage module 4 assigned. For reasons of clarity, the coupling units are only in the power supply branch 3-3 with reference number 6-31 to 6-3m Mistake. In the illustrated embodiments, the coupling units 6 in each case by four controllable switching elements 7-311 . 7-312 . 7-313 and 7-314 to 7-3m1 . 7-3m2 . 7-3m3 and 7-3m4 formed, which are connected in the form of a full bridge. The switching elements can be used as a power semiconductor switch, z. B. in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), be executed.

Die Koppeleinheiten 6 ermöglichen es, den jeweiligen Energieversorgungszweig 3, durch Öffnen aller Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 zu unterbrechen. Alternativ können die Energiespeicherzellen 5 durch Schließen von jeweils zwei der Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 entweder überbrückt werden, z. B. Schließen der Schalter 7-312 und 7-314 oder in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden, z. B. Schließen der Schalter 7-312 und 7-313.The coupling units 6 allow it, the respective energy supply branch 3 , by opening all switching elements 7 a coupling unit 6 to interrupt. Alternatively, the energy storage cells 5 by closing each two of the switching elements 7 a coupling unit 6 either be bridged, z. B. Close the switch 7-312 and 7-314 or in the respective energy supply branch 3 be switched, z. B. Close the switch 7-312 and 7-313 ,

Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige 3-1 bis 3-3 werden bestimmt durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 und können 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 3 in Reihe geschalteten Energiespeichermodule 4.The total output voltages of the power supply branches 3-1 to 3-3 are determined by the respective switching state of the controllable switching elements 7 the coupling units 6 and can be set in stages. The grading results depending on the voltage of the individual energy storage modules 4 , Starting from the preferred embodiment of similarly configured energy storage modules 4 from, so results in a maximum possible total output voltage from the voltage of a single energy storage module 4 times the number m of each power supply branch 3 series energy storage modules 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.The coupling units 6 allow it, the phases U, V, W of the electric machine 1 either to switch against a high reference potential or a low reference potential and thus can fulfill the function of a known inverter. This allows performance and mode of operation of the electric machine 1 with suitable control of the coupling units 6 through the controllable energy storage 2 to be controlled. The controllable energy storage 2 Thus fulfills a dual function insofar as it on the one hand the electrical power supply on the other hand, but also the control of the electric machine 1 serves.

Die elektrische Maschine 1 weist Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W auf, die in bekannter Weise in Sternschaltung miteinander verschaltet sind.The electric machine 1 has stator windings 8-U . 8-V and 8-W on, which are connected in a known manner in star connection with each other.

Die elektrische Maschine 1 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen 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.The electric machine 1 is designed in the illustrated embodiments as a three-phase three-phase machine, but may also have fewer or more than three phases. After the number of phases of the electric machine, of course, the number of energy supply branches 3 in the controllable energy storage 2 ,

In den dargestellten Ausführungsbeispielen 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.In the illustrated embodiments, each energy storage module 4 in each case a plurality of energy storage cells connected in series 5 on. The energy storage modules 4 but may alternatively have only a single energy storage cell or parallel energy storage cells.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente 7 in Form einer Vollbrücke gebildet, was auch die Möglichkeit einer Spannungsumkehr am Ausgang des Energiespeichermoduls bietet. Die Koppeleinheiten 6 können aber auch durch mehr oder weniger steuerbare Schaltelemente realisiert sein, solange die notwendigen Funktionen (Überbrücken der Energieversorgungszellen und Schalten der Energieversorgungszellen in den Energieversorgungszweig) realisierbar sind. Insbesondere können die Koppeleinheiten auch in Form von Hallbrücken ausgebildet sein. Derartige Ausführungsformen ergeben sich beispielhaft aus den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027 857 und DE 10 2010 027 861 .In the illustrated embodiments, the coupling units 6 in each case by four controllable switching elements 7 formed in the form of a full bridge, which also offers the possibility of a voltage reversal at the output of the energy storage module. The coupling units 6 But can also be realized by more or less controllable switching elements, as long as the necessary functions (bridging the power supply cells and switching the power supply cells in the power supply branch) can be realized. In particular, you can the coupling units may be formed in the form of Hall bridges. Such embodiments are shown by way of example from the older applications DE 10 2010 027 857 and DE 10 2010 027 861 ,

Zur Unterstützung der Energieversorgung der elektrischen Maschine 1 und/oder zum Laden von Energiespeicherzellen 5 des steuerbaren Energiespeichers 2 kann eine Wechselstromquelle 9 mit den einzelnen Energieversorgungszweigen 3-1, 3-2, 3-3 des steuerbaren Energiespeichers verbunden werden.To support the power supply of the electric machine 1 and / or for charging energy storage cells 5 the controllable energy storage 2 can be an AC power source 9 with the individual energy supply branches 3-1 . 3-2 . 3-3 be connected to the controllable energy storage.

Die Wechselstromquelle 9 umfasst dabei jeweils einen an sich bekannten Reichweitenverlängerer 13 mit einem durch einen Verbrennungsmotor 14 angetrieben Wechselstromgenerator 15. Alternativ oder zusätzlich zu dem Reichweitenverlängerer 13 können auch beliebige andere Wechselstromquellen, wie z. B. ein n-phasiges Netz, insbesondere das öffentliche Netz, mit den Energieversorgungszweigen 3-1, 3-2, 3-3 verbunden werden.The AC power source 9 each includes a known range extender 13 with one by an internal combustion engine 14 powered alternator 15 , Alternatively or in addition to the range extender 13 can also any other AC sources, such. B. an n-phase network, in particular the public network, with the power supply branches 3-1 . 3-2 . 3-3 get connected.

Gemäß einer in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Phasen der Wechselstromquelle 9 über steuerbare Schaltelemente 16-1, 16-2 und 16-3 mit den Verbindungsleitungen zwischen den Energieversorgungszweigen 3-1, 3-2 und 3-3 des steuerbaren Energiespeichers 2 und den Phasen U bzw. V bzw. W der elektrischen Maschine 1 verbunden. Durch Schließen der Schaltelemente 16 wird auf diese Weise eine Parallelschaltung der Wechselstromquelle 9 mit den Energieversorgungszweigen 3 des steuerbaren Energiespeichers 2 erreicht.According to a in 1 illustrated first embodiment of the invention are the phases of the AC power source 9 via controllable switching elements 16-1 . 16-2 and 16-3 with the connection lines between the power supply branches 3-1 . 3-2 and 3-3 the controllable energy storage 2 and the phases U and V and W of the electric machine 1 connected. By closing the switching elements 16 In this way, a parallel connection of the AC power source 9 with the power supply branches 3 the controllable energy storage 2 reached.

Die Regelung der Drehzahl des Wechselstromgenerators 15 erfolgt synchron zur elektrischen Maschine 1 über den Verbrennungsmotor 14. Liegt ein von der elektrischen Maschine 1 benötigter Strom über einem von der Wechselstromquelle 9 zur Verfügung gestellten Wert, gleicht der steuerbare Energiespeicher 2 die Differenz aus. Im umgekehrten Fall nimmt der steuerbare Energiespeicher 2 die Differenz auf, wodurch Energiespeicherzellen 5 des steuerbaren Energiespeichers 2 durch die Wechselstromquelle 9 geladen werden. Durch Verbinden der einzelnen Phasen der Wechselstromquelle 9 mit jeweils einem der Energieversorgungszweige 3-1, 3-2, 3-3 des steuerbaren Energiespeichers kann somit einerseits eine Unterstützung der Energieversorgung der elektrischen Maschine 1 und andererseits auch ein Laden des steuerbaren Energiespeichers 2 erreicht werden.The control of the speed of the alternator 15 takes place synchronously with the electric machine 1 over the internal combustion engine 14 , Is one of the electric machine 1 required current over one of the AC power source 9 provided value, is the controllable energy storage 2 the difference. In the opposite case takes the controllable energy storage 2 the difference, causing energy storage cells 5 the controllable energy storage 2 through the AC power source 9 getting charged. By connecting the individual phases of the AC power source 9 each with one of the power supply branches 3-1 . 3-2 . 3-3 the controllable energy storage can thus on the one hand support the power supply of the electric machine 1 and on the other hand also a loading of the controllable energy storage 2 be achieved.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, welche in 2 dargestellt ist, sind die Phasen der Wechselstromquelle 9 mit jeweils einem Anschlusspunkt A1 bzw. A2 bzw. A3 in dem jeweiligen Energieversorgungszweig 3-1 bzw. 3-2 bzw. 3-3 verbunden. Die Anschlusspunkte A1. A2 und A3 liegen dabei jeweils auf der, der Bezugsschiene T-abgewandten Seite des unmittelbar mit der Bezugsschiene T- verbundenen Energiespeichermoduls 4-1m bzw. 4-2m bzw. 4-3m. Durch entsprechende Steuerung der Schaltelemente 7 der diesen Energiespeichermodulen 4-1m, 4-2m und 4-3m zugeordneten Koppeleinheiten 6, z. B. Öffnen aller Schaltelemente 7, kann die gemeinsame Verbindung der Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3 aufgetrennt werden. Dadurch wird die Wechselstromquelle 9 in Reihe zu den zwischen den Anschlusspunkten A1, A2, A3 und den jeweiligen Phasen U bzw. V bzw. W der elektrischen Maschine 1 liegenden Energiespeichermodulen 4-11 bis 4-1(m – 1) bzw. 4-21 bis 4-2(m – 1) bzw. 4-31 bis 4-3(m – 1) geschaltet, was eine Kopplung der Wechselstromquelle 9 mit den einzelnen Energieversorgungszweigen 3 darstellt.According to a second embodiment of the invention, which in 2 is shown, are the phases of the AC power source 9 each with a connection point A1 or A2 or A3 in the respective energy supply branch 3-1 respectively. 3-2 respectively. 3-3 connected. The connection points A1. A2 and A3 lie respectively on the side of the reference rail T-facing away from the directly connected to the reference rail T- energy storage module 4-1m respectively. 4-2m respectively. 4-3m , By appropriate control of the switching elements 7 of these energy storage modules 4-1m . 4-2m and 4-3m associated coupling units 6 , z. B. opening of all switching elements 7 , can the common connection of the power supply branches 3-1 . 3-2 and 3-3 be separated. This will be the AC source 9 in series with the between the connection points A1, A2, A3 and the respective phases U and V or W of the electric machine 1 lying energy storage modules 4-11 to 4-1 (m - 1) respectively. 4-21 to 4-2 (m - 1) respectively. 4-31 to 4-3 (m - 1) switched, which is a coupling of the AC power source 9 with the individual energy supply branches 3 represents.

Über die Energiespeicherzellen 5 der in Reihe mit der Wechselstromquelle 9 geschalteten Energiespeichermodule 4 wird die Differenz zwischen einer an der elektrischen Maschine 1 gewünschten Phasenspannung und einer von der Wechselstromquelle 9 zur Verfügung gestellten Spannung eingestellt. Damit kann der steuerbare Energiespeicher 2 die Wechselstromquelle 9 bei der Energieversorgung der elektrischen Maschine 1 unterstützen oder die Energiespeicherzellen 5 des steuerbaren Energiespeichers 2 können mit Hilfe der Wechselstromquelle 9 geladen werden.About the energy storage cells 5 in series with the AC power source 9 switched energy storage modules 4 will be the difference between one on the electric machine 1 desired phase voltage and one of the AC power source 9 provided voltage. Thus, the controllable energy storage 2 the AC source 9 in the power supply of the electric machine 1 support or the energy storage cells 5 the controllable energy storage 2 can with the help of the AC power source 9 getting charged.

Grundsätzlich ist es auch möglich die Anschlusspunkte A1, A2 und A3 an einer anderen Stelle in dem jeweiligen Energieversorgungszweig 3-1 bzw. 3-2 bzw. 3-3 vorzusehen. Soll die Wechselstromquelle 9 dabei auch von den Energieversorgungszweigen 3 abkoppelbar sein, ist lediglich darauf zu achten, dass die Anschlusspunkte A1, A2, A3 jeweils zwischen zwei Energiespeichermodulen 4 des jeweiligen Energieversorgungszweiges 3 liegen, so dass zwischen dem Anschlusspunkt A und der Bezugsschiene T- jeweils zumindest noch ein Energiespeichermodul 4 liegt, dessen Koppeleinheit 6 als steuerbares Schaltelement zur Kopplung der Wechselstromquelle 9 mit den Energieversorgungszweigen 3, das heißt also zur Auftrennung der gemeinsamen Verbindung der Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3, genutzt werden kann.In principle, it is also possible for the connection points A1, A2 and A3 at another point in the respective energy supply branch 3-1 respectively. 3-2 respectively. 3-3 provided. Should the AC power source 9 also from the energy supply branches 3 can be decoupled, is only to ensure that the connection points A1, A2, A3 each between two energy storage modules 4 of the respective energy supply branch 3 lie so that between the connection point A and the reference rail T- in each case at least one energy storage module 4 lies, whose coupling unit 6 as a controllable switching element for coupling the AC power source 9 with the power supply branches 3 That is, for separation of the common connection of the power supply branches 3-1 . 3-2 and 3-3 , can be used.

In einer nicht eigens dargestellten weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, die Phasen der Wechselstromquelle 9 am unteren Ende der Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-2, das heißt in einem Bereich zwischen der Bezugsschiene T- und den unmittelbar daran angeschlossenen Energiespeichermodul 4-1m bzw. 4-2m bzw. 4-3m anzuschließen. In diesem Fall können ähnlich zur ersten Ausführungsform wieder zusätzliche steuerbare Schaltelemente vorgesehen sein, die es erlauben, die Wechselstromquelle 9 mit den Energieversorgungszweigen 3 zu koppeln, aber auch von diesen zu trennen, so dass auch ein Betrieb ohne Unterstützung durch die Wechselstromquelle 9 möglich ist.In a further embodiment not specifically shown, it is also possible to use the phases of the alternating current source 9 at the lower end of the power supply branches 3-1 . 3-2 and 3-2 that is, in a region between the reference rail T- and the directly connected to the energy storage module 4-1m respectively. 4-2m respectively. 4-3m to join. In this case, similarly to the first embodiment, additional controllable switching elements may be provided again, which allow the AC source 9 with the Energy supply branches 3 to couple, but also to disconnect from them, so that even a business without the support of the AC power source 9 is possible.

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Claims (10)

System zur Ankopplung mindestens einer Wechselstromquelle (9) an einen steuerbaren Energiespeicher (2) mit – dem 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 • einerseits mit einer Bezugsschiene (T-) verbindbar sind und • andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind, und – mindestens einer n-phasigen Wechselstromquelle (9), welche mit den einzelnen Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) koppelbar ist.System for coupling at least one AC source ( 9 ) to a controllable energy store ( 2 ) with - the controllable energy storage ( 2 ), which controls the electrical power supply of an n-phase electric machine ( 1 ), with n ≥ 1, whereby the controllable energy store ( 2 ) n parallel power supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ), which on the one hand can be connected to a reference rail (T) and on the other hand each having one phase (U, V, W) of the electrical machine (FIG. 1 ), and - at least one n-phase AC source ( 9 ), which with the individual energy supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) can be coupled. System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Wechselstromquelle mit Hilfe von steuerbaren Schaltelementen (16) mit den einzelnen Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) koppelbar ist.System according to claim 1, wherein the at least one AC source is controlled by means of controllable switching elements ( 16 ) with the individual energy supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) can be coupled. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mindestens eine Wechselstromquelle parallel zu den Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) des steuerbaren Energiespeichers (2) schaltbar ist.System according to one of claims 1 or 2, wherein the at least one alternating current source is connected in parallel with the energy supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) of the controllable energy store ( 2 ) is switchable. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mindestens eine Wechselstromquelle in Reihe zu den Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) des steuerbaren Energiespeichers (2) schaltbar ist.System according to one of claims 1 or 2, wherein the at least one AC source is connected in series with the power supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) of the controllable energy store ( 2 ) is switchable. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Wechselstromquelle (9) als Reichweitenverlängerer (13) mit einem durch einen Verbrennungsmotor (14) angetrieben Wechselstromgenerator (15) ausgestaltet ist.System according to one of claims 1 to 4, wherein the at least one AC source ( 9 ) as a range extender ( 13 ) with a by an internal combustion engine ( 14 ) powered alternator ( 15 ) is configured. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein n-phasiges Netz, insbesondere das öffentliche Netz, als Wechselstromquelle (9) dient.System according to one of claims 1 to 4, wherein an n-phase network, in particular the public network, as an AC power source ( 9 ) serves. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) des steuerbaren ersten Energiespeichers (2) jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen, welche in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrückt oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1, 3-2; 3-3) schaltet.System according to one of the preceding claims, wherein the energy supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) of the controllable first energy store ( 2 ) at least two series-connected energy storage modules ( 4 ) each having at least one electrical energy storage cell ( 5 ) with an associated controllable coupling unit ( 6 ), which in response to control signals, the respectively associated energy storage cells ( 5 ) or the respectively assigned energy storage cells ( 5 ) into the respective energy supply branch ( 3-1 . 3-2 ; 3-3 ) switches. System nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Wechselstromquelle (9) mit jeweils einem Anschlusspunkt (A1; A2; A3) in dem jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) verbindbar ist, welcher zwischen zwei Energiespeichermodulen (4) des jeweiligen Energieversorgungszweiges (3-1; 3-2; 3-3) liegt, und wobei jeweils die Koppeleinheit (6) mindestens eines zwischen dem jeweiligen Anschlusspunkt (A1; A2; A3) und der Bezugsschiene (T-) liegenden Energiespeichermoduls (4) als steuerbares Schaltelement genutzt wird.The system of claim 7, wherein the at least one AC source ( 9 ) each having a connection point (A1, A2, A3) in the respective energy supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) which can be connected between two energy storage modules ( 4 ) of the respective energy supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ), and wherein in each case the coupling unit ( 6 ) at least one energy storage module located between the respective connection point (A1; A2; A3) and the reference rail (T) (( 4 ) is used as a controllable switching element. System nach Anspruch 8, wobei die Anschlusspunkte (A1; A2; A3) jeweils auf der, der Bezugsschiene (T-) abgewandten Seite des unmittelbar mit der Bezugsschiene (T-) verbundenen Energiespeichermoduls (4-1m; 4-2m; 4-3m) liegen.A system according to claim 8, wherein the connection points (A1; A2; A3) respectively on the side facing away from the reference rail (T) side of the directly connected to the reference rail (T-) energy storage module ( 4-1m ; 4-2m ; 4-3m ) lie. Verfahren zum Betrieb eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zur Unterstützung der Energieversorgung der elektrischen Maschine (1) und/oder zum Laden des steuerbaren Energiespeichers (2) die mindestens eine Wechselstromquelle (9) mit den einzelnen Energieversorgungszweigen (3-1, 3-2, 3-3) des steuerbaren Energiespeichers (2) gekoppelt wird.Method for operating a system according to one of claims 1 to 9, wherein in order to support the power supply of the electrical machine ( 1 ) and / or for charging the controllable energy store ( 2 ) the at least one AC source ( 9 ) with the individual energy supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) of the controllable energy store ( 2 ) is coupled.
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