DE102011006761A1 - Switching matrix of switching system, has switching devices that are arranged to switch supply terminals with respect to output ports in response to control signals to form series/parallel/bridging circuit with power sources - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltmatrix, ein System mit einer Mehrzahl von Schaltmatrizen und ein Verfahren zum Ansteuern einer Schaltmatrix, insbesondere zum dynamischen Koppeln von elektrischen Energiespeichern.The invention relates to a switching matrix, a system with a plurality of switching matrices and a method for driving a switching matrix, in particular for the dynamic coupling of electrical energy stores.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden üblicherweise mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Antriebssystem 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 will be used, which combine new energy storage technologies with electric drive technology. In order to meet the given requirements for a given application in terms of performance and energy, usually several battery cells are connected in series. Since the current provided by such a drive system must flow through all 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.
Es ist daher möglich, Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen zu betreiben, welche direkt an Phasenleitungen einer elektrischen 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.It is therefore possible to operate batteries with several battery module strings, which can be connected directly to phase lines of 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 makes it possible to interrupt the respective battery module string depending on control signals, or to bridge the respectively assigned at least one battery cell, or to switch the respectively assigned at least one battery cell into 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.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Ein bisheriger Ansatz war es, eine serielle Anordnung von Batteriezellen zu nutzen, wobei selektiv einzelne Batteriezellen aus der seriellen Anordnung herausgetrennt werden können. Bei einem Ladungstransfer aus einer Batteriezelle in eine andere, das heißt, bei einem Ladungsausgleich, dem sogenannten ”charge balancing”, sind daher weitere Schalter und/oder passive Bauelemente wie Kondensatoren, Spulen oder Widerstände notwendig. Beispielsweise kann auf die Nutzung der überschüssigen Ladung verzichtet werden und die voll geladene Zelle über einen Widerstand partiell entladen werden, damit die gesamte serielle Anordnung weiter geladen werden kann. Dies bedingt thermische Verluste, die den Wirkungsgrad des Gesamtsystems erheblich beeinträchtigen können.A previous approach was to use a serial arrangement of battery cells, whereby selectively individual battery cells can be separated from the serial arrangement. In a charge transfer from one battery cell to another, that is, in a charge balance, the so-called "charge balancing", therefore, more switches and / or passive components such as capacitors, coils or resistors are necessary. For example, it is possible to dispense with the use of the excess charge and to partially discharge the fully charged cell via a resistor, so that the entire serial arrangement can be further charged. This causes thermal losses that can significantly affect the efficiency of the overall system.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gemäß einer Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung eine Schaltmatrix zum Koppeln von mindestens zwei Energiequellen, mit einer Vielzahl von Versorgungsanschlüssen, welche dazu ausgelegt sind, mit einer Vielzahl von Energiequellen, welche jeweils eine Versorgungsspannung bereitstellen, verbunden zu werden, genau zwei Ausgangsanschlüssen, welche dazu ausgelegt sind, eine Ausgangsspannung der Schaltmatrix als Kombination der Vielzahl von Versorgungsspannungen bereitzustellen, und einer Vielzahl von Schalteinrichtungen, welche jeweils einen der Vielzahl der Versorgungsanschlüsse jeweils schaltbar mit einem der zwei Ausgangsanschlüsse verbinden, und welche dazu ausgelegt sind, in Abhängigkeit von Steuersignalen zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen eine Serienschaltung der Vielzahl von Energiequellen, eine Parallelschaltung der Vielzahl von Energiequellen und eine Überbrückung einer Gruppe von Energiequellen herzustellen.According to one embodiment, the present invention provides a switching matrix for coupling at least two energy sources, having a plurality of supply terminals, which are adapted to be connected to a plurality of energy sources, each providing a supply voltage, exactly two output terminals arranged therefor are to provide an output voltage of the switching matrix as a combination of the plurality of supply voltages, and a plurality of switching devices, each of which connect one of the plurality of supply terminals each switchably connected to one of the two output terminals, and which are designed, in response to control signals between the two output terminals making a series connection of the plurality of power sources, a parallel connection of the plurality of power sources and bridging a group of power sources.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer ersten erfindungsgemäßen Schaltmatrix, welche dazu ausgelegt ist, eine erste Ausgangsspannung an genau zwei ersten Ausgangsanschlüssen bereitzustellen, einer zweiten erfindungsgemäßen Schaltmatrix, welche dazu ausgelegt ist, eine zweite Ausgangsspannung an genau zwei zweiten Ausgangsanschlüssen bereitzustellen, und einer dritten Schaltmatrix mit genau zwei dritten Ausgangsanschlüssen, welche dazu ausgelegt sind, eine dritte Ausgangsspannung der dritten Schaltmatrix als Kombination der ersten und zweiten Ausgangsspannungen bereitzustellen, und mit einer Vielzahl von weiteren Schalteinrichtungen, welche jeweils einen der ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse jeweils schaltbar mit einem der zwei dritten Ausgangsanschlüsse verbinden, und welche dazu ausgelegt sind, in Abhängigkeit von Steuersignalen zwischen den zwei dritten Ausgangsanschlüssen eine Serienschaltung der ersten und zweiten Schaltmatrix, eine Parallelschaltung der ersten und zweiten Schaltmatrix und eine Überbrückung einer der beiden ersten und zweiten Schaltmatrizen herzustellen.According to a further embodiment, the present invention provides a system with a first switching matrix according to the invention, which is designed to provide a first output voltage at exactly two first output terminals, a second switching matrix according to the invention, which is designed to provide a second output voltage at exactly two second output terminals, and a third switching matrix with exactly two third output terminals, which are configured to provide a third output voltage of the third switching matrix as a combination of the first and second output voltages, and a plurality of further switching devices respectively connecting one of the first and second output terminals each switchably to one of the two third output terminals and configured therefor are, in response to control signals between the two third output terminals, a series connection of the first and second switching matrix, a parallel connection of the first and second switching matrix and a Übbe bridging one of the two first and second switching matrices.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern einer erfindungsgemäßen Schaltmatrix geschaffen, mit den Schritten: Ermitteln eines Leistungsbedarfs einer an die Ausgangsanschlüsse der Schaltmatrix angeschlossenen elektrischen Last;
Ansteuern der Vielzahl von Schalteinrichtungen zum Herstellen einer Serienschaltung der Vielzahl von Energiequellen zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen, falls der ermittelte Leistungsbedarf über einem vorbestimmten Schwellwert liegt; und
Ansteuern der Vielzahl von Schalteinrichtungen zum Herstellen einer Parallelschaltung der Vielzahl von Energiequellen zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen, falls der ermittelte Leistungsbedarf unter dem vorbestimmten Schwellwert liegt.According to a further embodiment of the present invention, there is provided a method of driving a switching matrix according to the invention, comprising the steps of: determining a power requirement of an electrical load connected to the output terminals of the switching matrix;
Driving the plurality of switching means to establish a series connection of the plurality of power sources between the two output terminals if the determined power demand is above a predetermined threshold; and
Driving the plurality of switching means to establish a parallel connection of the plurality of power sources between the two output terminals if the determined power demand is below the predetermined threshold.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Eine Idee der Erfindung ist es, ein kaskadiertes System von Energiequellen bzw. Energiespeichern zu nutzen, die über eine Schaltmatrix flexibel gekoppelt werden können. Über die Kopplung einer Schaltmatrix ist es möglich, je zwei Energiequellen in Serie oder parallel schalten sowie selektiv überbrücken zu können. Dabei können die Schalteinrichtungen der Schaltmatrix dynamisch angesteuert werden, um jede gewünschte Kopplung von Energiequellen einstellen zu können.One idea of the invention is to use a cascaded system of energy sources or energy stores which can be flexibly coupled via a switching matrix. By coupling a switching matrix, it is possible to connect two energy sources in series or in parallel as well as to selectively bridge them. In this case, the switching devices of the switching matrix can be controlled dynamically in order to be able to set any desired coupling of energy sources.
Das System ist dabei modular aufgebaut, so dass eine Mehrzahl von paarweise verschalteten Energiequellen mit je einer zugeordneten Schaltmatrix ihrerseits über übergeordnete Schaltmatrizen gleicher Topologie gekoppelt werden können. Dadurch wird es möglich, jede beliebige Kombination aus parallel oder in Serie geschalteter Energiequellen dynamisch über die Schaltmatrizen anzusteuern.The system is modular, so that a plurality of energy sources paired in pairs, each with an associated switching matrix in turn can be coupled via parent switching matrices the same topology. This makes it possible to control any combination of parallel or series connected energy sources dynamically via the switching matrices.
Diese Topologie ermöglicht überdies eine gleichmäßige Belastung aller Energiequellen bzw. aller Energiespeicher, so dass zum Erreichen eines jeweiligen Versorgungsspannungswertes die einzelnen Energiequellen durch entsprechende Ansteuerung der Schaltmatrix bzw. Schaltmatrizen unterschiedlich stark strombelastet werden können. Damit kann im zeitlichen Mittel eine gleichmäßige Durchschnittsbelastung aller Energiequellen erreicht werden.This topology also allows a uniform load on all energy sources or all energy storage, so that to achieve a respective supply voltage value, the individual energy sources can be charged different current by appropriate control of the switching matrix or switching matrices. In this way a uniform average load of all energy sources can be achieved on average over time.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltmatrix ist ein Ladungstransfer bzw. ”charge balancing” in einfacher Weise zu realisieren, da die Energiespeicher je nach Bedarf parallel geschaltet werden können, so dass Energiespeicher höherer Ladung Energiespeicher niedrigerer Ladung nicht beeinträchtigen.With the switching matrix according to the invention, a charge transfer or "charge balancing" is to be realized in a simple manner, since the energy storage can be connected in parallel as needed, so that energy storage of higher charge energy storage of lower charge does not affect.
Die Schaltmatrix kann kostengünstig mit Halbleiterbauelementen realisiert werden, die insbesondere in Abhängigkeit von ihrer Position in der Schaltkaskade mit unterschiedlicher Auslegung, beispielsweise hinsichtlich Stromtragfähigkeit oder Spannungsfestigkeit, eingesetzt werden können. Weiterhin kann die Schaltmatrix vorteilhafterweise in eine integrierte Schaltung integriert werden.The switching matrix can be realized cost-effectively with semiconductor components which can be used in particular as a function of their position in the switching cascade with a different design, for example with regard to current carrying capacity or dielectric strength. Furthermore, the switching matrix can advantageously be integrated into an integrated circuit.
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:
Energiequellen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen alle Vorrichtungen, die elektrische Energie temporär oder dauerhaft abgeben und/oder speichern können. Dazu können die Energiequellen zwei Versorgungsanschlüsse aufweisen, beispielsweise einen Anschluss mit hohem Potential und einen Anschluss mit niedrigem Potential, an denen eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann und über die elektrischer Versorgungsstrom bereitgestellt werden kann. Energiequellen können beispielsweise Energiespeicher, wie zum Beispiel (Traktions-)Batterien, Batteriezellen, Super-Caps, Power-Caps oder ähnliche Vorrichtungen umfassen.Energy sources in the context of the present invention include all devices that can emit and / or store electrical energy temporarily or permanently. For this purpose, the energy sources can have two supply connections, for example a connection with a high potential and a connection with a low potential, at which an electrical voltage can be tapped off and provided via the electrical supply current. Energy sources may include, for example, energy storage devices such as (traction) batteries, battery cells, super caps, power caps or similar devices.
Schalteinrichtungen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen alle Einrichtungen, die mit Steuersignalen angesteuert werden können, und in Abhängigkeit von den Steuersignalen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Knotenpunkten einer Schaltung herstellen können, oder diese unterbrechen können. Schalteinrichtungen können dabei Halbleiterbauelemente wie beispielsweise MOSFET-Schalter, IGBT-Schalter, BJT-Schalter, MISFET-Schalter, JFET-Schalter, Thyristoren oder ähnliche Schalteinrichtungen aufweisen.Switching devices according to the present invention include all devices that can be controlled with control signals, and depending on the control signals can establish an electrically conductive connection between two nodes of a circuit, or can interrupt them. Switching devices may comprise semiconductor components such as MOSFET switches, IGBT switches, BJT switches, MISFET switches, JFET switches, thyristors or similar switching devices.
Die Schaltmatrix
Dabei sind die in der linken, mit dem Bezugszeichen F gekennzeichneten Hälfte der Tabelle
In der mit J gekennzeichneten Hälfte der Tabelle
Die Schalteinrichtungen aller in den
Die in den
Die Auslegung der für die Schalteinrichtungen verwendeten Bauelemente, beispielsweise Halbleiterbauelemente, kann in Abhängigkeit von ihrer Position in einer Schaltmatrixkaskade hinsichtlich Stromtragfähigkeit und/oder Spannungsfestigkeit unterschiedlich erfolgen.The design of the components used for the switching devices, for example semiconductor components, can take place differently depending on their position in a switching matrix cascade with regard to current carrying capacity and / or dielectric strength.
Wie in
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in einem vierten Schritt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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