DE102011086545A1

DE102011086545A1 - Energiespeichereinrichtung, System mit Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: DE102011086545A1
Application number: DE102011086545A
Authority: DE
Inventors: Kurt Reutlinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23
Also published as: WO2013072107A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung (1) zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung, wobei n = 2 oder n = 3, mit zwei parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1a, 1b) und eine Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist. Die Energiespeichermodule (5) umfassen dabei jeweils ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5n) aufweist, und eine Koppeleinrichtung (9) mit Koppelelementen (7, 8), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken. Die Energiespeichereinrichtung (1) weist weiterhin einen Verbindungszweig (1d) auf, welcher zwischen einen Verbindungsanschluss (1c) und die Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt ist, wobei die Koppeleinrichtungen (9) jeweils dazu ansteuerbar sind, an den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) jeweils zwei Phasen (UD, UE) der n-phasigen Versorgungsspannung mit einem vorbestimmten Phasenversatz (δ1, δ2) zwischen den Phasen (UD, UE) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere in einer Batteriedirektumrichterschaltung zur Stromversorgung elektrischer Maschinen.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
1 beispielsweise zeigt die Einspeisung von Drehstrom in eine dreiphasige elektrische Maschine 101. Dabei wird über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule 105 in einer Traktionsbatterie 104 in Serie geschaltet.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.
In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert.
BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen, wie in 1 gezeigt, auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung, wobei n = 2 oder n = 3, mit zwei parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Die Energiespeichermodule umfassen dabei jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken. Die Energiespeichereinrichtung weist weiterhin einen Verbindungszweig auf, welcher zwischen einen Verbindungsanschluss und die Bezugspotentialschiene gekoppelt ist, wobei die Koppeleinrichtungen jeweils dazu ansteuerbar sind, an den Ausgangsanschlüssen jeweils zwei Phasen der n-phasigen Versorgungsspannung mit einem vorbestimmten Phasenversatz zwischen den Phasen zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Aspekt ein System, mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n = 2 oder n = 3, zwei ersten Phasenleitungen, welche mit jeweils einem von zwei Phasenanschlüssen der n-phasigen elektrischen Maschine gekoppelt sind, einer zweiten Phasenleitung, welche mit einem dritten Phasenanschluss der n-phasigen elektrischen Maschine gekoppelt ist, wenn n = 3, und welche mit dem Sternpunkt der n-phasigen elektrischen Maschine gekoppelt ist, wenn n = 2, und einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, wobei die ersten Phasenleitungen mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, und wobei die zweite Phasenleitung mit dem Verbindungsanschluss gekoppelt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, mit den Schritten des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen des einen der zwei Energieversorgungszweige zum Erzeugen einer ersten Phase der n-phasigen Versorgungsspannung an einem ersten Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen des anderen der zwei Energieversorgungszweige zum Erzeugen einer zweiten Phase der n-phasigen Versorgungsspannung an einem zweiten Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung, wobei die zweite Phase gegenüber der ersten Phase einen vorbestimmten Phasenversatz aufweist, des Einspeisens der ersten und zweiten Phase in jeweils einen der Phasenanschlüsse einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n = 2 oder n = 3, und des Einspeisens einer Summenspannung der ersten und zweiten Phase in den Sternpunkt der n-phasigen elektrischen Maschine, wenn n = 2 ist, oder des Einspeisens der Summenspannung der ersten und zweiten Phase in den übrigen Phasenanschluss der n-phasigen elektrischen Maschine, wenn n = 3 ist.
Vorteile der Erfindung Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Batteriedirektumrichter für die Spannungsversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine mit zwei statt drei Energieversorgungszweigen zu realisieren. Durch die Abhängigkeit der Differenzspannungen zwischen den Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige untereinander kann durch eine geeignete Ansteuerung mit zwei Energieversorgungszweigen eine Versorgungsspannung mit entsprechender Phasenlage erzeugt werden, bei welcher an der Bezugsschiene der Energieversorgungszweige eine weitere Versorgungsspannung abgreifbar ist, die eine n-phasige Spannungsversorgung zusammen mit den Ausgangsspannungen der zwei Energieversorgungszweige komplettiert.
Ein erheblicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Anzahl der nötigen elektrischen Komponenten wie Halbleiterschalter, Batteriezellen oder Energiespeicherzellen wesentlich reduziert werden kann, was Fertigungskosten spart. Ferner kann auch Gewicht eingespart werden, was beispielsweise bei elektrischen Antriebssystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge von besonderer Bedeutung ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Energiespeichereinrichtung als Koppelelemente Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFET-Schalter, aufweisen. Es kann gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Koppelelemente in Vollbrückenschaltung ausgestaltet sind. In einer alternativen Ausführungsform können die Koppelelemente in Halbbrückenschaltung ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der vorbestimmte Phasenversatz einen Wert von 60° aufweisen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Summenspannung der beiden Phasen gegenüber jeder der ersten und zweiten Phase um 60° vor- bzw. nachläuft. Mit anderen Worten kann dadurch vorteilhafterweise eine dreiphasige Wechselversorgungsspannung erzeugt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der vorbestimmte Phasenversatz einen Wert von 90° aufweisen. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise eine zweiphasige Versorgungsspannung für eine zweiphasige elektrische Maschine erzeugt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin eine Steuereinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung für die elektrische Maschine selektiv anzusteuern.
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 eines Spannungsversorgungssystems für eine dreiphasige elektrische Maschine;
2 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit beispielhaften Spannungsverläufen von Phasenspannungen, die durch eine Energiespeichereinrichtung bereitgestellt werden;
4 ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit beispielhaften Spannungsverläufen von Phasenspannungen, die durch eine Energiespeichereinrichtung bereitgestellt werden;
5 ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit beispielhaften Spannungsverläufen von Phasenspannungen, die durch eine Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden;
6 ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit beispielhaften Spannungsverläufen von Phasenspannungen, die durch eine Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden;
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit beispielhaften Spannungsverläufen von Phasenspannungen, die durch eine Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden;
9 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung;
10 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
11 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt ein System 200 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 200 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1‘ mit Energiespeichermodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 9 drei Energieversorgungszweige gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1‘ verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b, 1c, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen sind. Beispielhaft dient das System 200 in 9 zur Speisung einer elektrischen Maschine 2. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1‘ zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird.
Das System 200 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1‘ verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1‘ gesteuert werden kann, um die gewünschten Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c bereitzustellen.
Die Energieversorgungszweige können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden werden, welches in der dargestellten Ausführungsform in Bezug auf die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c der elektrischen Maschine 2 ein mittleres Potential führt. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Jeder der Energieversorgungszweige weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig in 9 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen.
Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann.
Beispielhafter Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 10 und 11 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Koppeleinrichtung 9 mit mehreren Koppelelementen 7 und 8. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a, 5n.
Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5n, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5n in dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5n ebenso möglich ist.
Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 9 verbunden. Die Koppeleinrichtung 9 ist in 10 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7 und zwei Koppelelementen 8 ausgebildet. Die Koppelelemente 7 können dabei jeweils ein aktives Schaltelement 7a, beispielsweise einen Halbleiterschalter 7a, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode 7b aufweisen. In ähnlicher Weise können die Koppelelemente 8 dabei jeweils ein aktives Schaltelement 8a, beispielsweise einen Halbleiterschalter 8a, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode 8b aufweisen. Die Halbleiterschalter 7a und 8a können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden 7b und 8b auch jeweils in die Halbleiterschalter 7a und 8a integriert sein.
Die Koppelelemente 7 und 8 in 10 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 6 in 2, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Beispielsweise kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement 8a rechts unten und das aktive Schaltelement 7a links oben in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, indem die beiden aktiven Schaltelemente 8a in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente 7a in offenem Zustand gehalten werden.
Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 9 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs integriert werden.
11 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in 11 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in 10 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 9 zwei statt vier Koppelelemente 7, 8 aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente 7a und 8a bzw. die Koppelelemente 7 und 8 als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
Mit den aktiven Schaltelementen 7a und 8a bzw. den Koppelelementen 7 und 8 kann die Ausgangsspannung jedes der Energieversorgungszweige über eine geeignete Ansteuerung in Stufen von einem negativen Maximalwert bis hin zu einem positiven Maximalwert variiert werden. Die Abstufung der Spannungslevel ergibt sich hierbei in Abhängigkeit von der Stufung der einzelnen Energiespeicherzellenmodule 5. Um beispielsweise einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der Energiespeicherzellenmodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7, 8 eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5n bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7, 8 kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung 6 vornehmen, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann.
Durch den Einsatz einer derartigen Energiespeichereinrichtung 1‘ ist es möglich, eine n-phasige Versorgungsspannung, beispielsweise für eine elektrische Maschine 2 bereitzustellen. Dazu können Phasenleitungen 2a, 2b, 2c mit jeweiligen der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c verbunden werden, wobei die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c ihrerseits mit Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 2 verbunden werden können. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 2 eine dreiphasige elektrische Maschine sein, zum Beispiel eine dreiphasige Drehfeldmaschine.
Für eine dreiphasige elektrische Maschine 2 ist in 3 schematisch der zeitliche Spannungsverlauf der drei Phasen U_A, U_B und U_C gezeigt, welcher durch eine Energiespeichereinrichtung 1‘ an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c erzeugt werden. Dabei kann an einem ersten Ausgangsanschluss 1a beispielsweise der Phasenverlauf U_A, an einem zweiten Ausgangsanschluss 1b beispielsweise der Phasenverlauf U_B und an einem dritten Ausgangsanschluss 1c beispielsweise der Phasenverlauf U_C realisiert werden. Die Phasen U_A, U_B und U_C, welche einen relativen Phasenversatz von 120° zueinander aufweisen, können beispielsweise über Phasenleitungen 2a, 2b, 2c in die Phasenanschlüsse der dreiphasigen elektrischen Maschine 2 eingespeist werden, um eine dreiphasige Spannungsversorgung der elektrischen Maschine 2 zu gewährleisten.
Für die Spannungen zwischen den Phasen ergeben sich bei den in 3 schematisch dargestellten Spannungsverläufen entsprechende Differenzspannungen U_B-A, U_C-B und U_A-C, wie in 4 schematisch dargestellt. Deren Maximalamplituden sind um den Faktor 2^1/2 ≈ 1,71 größer als die jeweiligen Maximalamplituden als die der Phasen U_A, U_B und U_C. Zudem sind die Differenzspannungen U_B-A, U_C-B und U_A-C jeweils um 30° gegenüber den Phasenspannungen U_A, U_B und U_C phasenverschoben.
Bei dreiphasigen Spannungsversorgungssystemen kann es von Vorteil sein, wenn der Sternpunkt nicht kontaktiert wird. In dieser Schaltungsanordnung ergibt sich für das dreiphasige Spannungsversorgungssystem, dass die Summe der drei Phasenströme zu jedem Zeitpunkt Null, das heißt, dass sich die Ströme, welche über die Phasenleitungen in die elektrische Maschine hineinfließen, zu jedem Zeitpunkt des Betriebs mit jenen aufheben, welche über die Phasenleitungen hinausfließen. Dies führt dazu, dass sich bei dreiphasigen Systemen ein Phasenstrom als Beziehung zwischen den beiden anderen Phasenströmen ausdrücken lässt. Entsprechendes gilt auch für die paarweisen Differenzspannungen zwischen jeweils zwei der drei Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine.
Es ist daher möglich, eine dreiphasige Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine 2 nur unter Verwendung zweier Energieversorgungszweige in einer Energiespeichereinrichtung bereitzustellen. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines derartigen Systems 20 mit einer Energiespeichereinrichtung 1. Die Energiespeichereinrichtung 1 unterscheidet sich von der Energiespeichereinrichtung 1‘ in 9 im Wesentlichen darin, dass statt des Energieversorgungszweiges, welcher mit dem Ausgangsanschluss 1c verbunden ist, ein Verbindungszweig 1d vorgesehen ist, welcher zwischen einen Verbindungsanschluss 1c und die Bezugsschiene 4 der übrigen zwei Energieversorgungszweige gekoppelt ist. Die übrigen Komponenten des Systems 20 entsprechen im Wesentlichen den im Bezug auf 9 erläuterten Komponenten.
Der Verbindungszweig 1d kann beispielsweise eine direkte galvanische Verbindung zwischen dem Verbindungsanschluss 1c und der Bezugsschiene 4 sein. Alternativ kann der Verbindungszweig 1d auch passive Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Induktivität, einen Widerstand und/oder eine Kapazität. Allgemein gesprochen kann der Verbindungszweig 1d beispielsweise eine elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungsanschluss 1c und der Bezugsschiene 4 ausbilden, in der keine Spannungsquellen oder -senken wie zum Beispiel zusätzliche Batterien oder elektrische Lasten auftreten. Durch den Verbindungszweig 1d wird insbesondere bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine dauerhafte elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungsanschluss 1c und der Bezugsschiene 4 bereitgestellt. Insbesondere hängt das Potential an dem Verbindungsanschluss 1c im Wesentlichen vom Potential an der Bezugsschiene 4 ab. Ein Vorteil einer derartigen Energiespeichereinrichtung 1‘ ist es, dass weniger Energiespeichermodule 3 benötigt werden als in einer herkömmlichen Energiespeichereinrichtung 1.
5 zeigt ein schematisches Spannungs-Zeit-Diagramm mit beispielhaften Spannungsverläufen von Phasenspannungen, die durch eine Energiespeichereinrichtung 1 wie in 2 dargestellt, erzeugt werden können. In einem ersten Energieversorgungszweig wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 9 ein Spannungsverlauf erzeugt, welcher als erste Phasenspannung UD an einem ersten Ausgangsanschluss 1a abgegriffen werden kann. Gleichermaßen wird in einem zweiten Energieversorgungszweige durch eine entsprechende Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 9 ein Spannungsverlauf erzeugt, welcher als zweite Phasenspannung U_E an einem zweiten Ausgangsanschluss 1b abgegriffen werden kann. Die erste und die zweite Phasenspannung U_D bzw. U_E unterscheiden sich lediglich in einem vorbestimmten Phasenversatz δ1 voneinander. Der vorbestimmte Phasenversatz δ1 kann in einer Ausführungsform 60° betragen.
Wenn der Verbindungsanschluss 1c über den Verbindungszweig 1d mit der Bezugsschiene 4 gekoppelt ist, kann an dem Verbindungsanschluss 1c eine negative Summenspannung der beiden Phasenspannungen U_D bzw. U_E abgegriffen werden. 6 zeigt die entsprechenden Spannungsverläufe der Phasenspannungen U_D bzw. U_E, der negativen Phasenspannung -U_E sowie der Differenzspannung U_E-D der beiden Phasenspannungen U_D und U_E. Wie sich erkennen lässt, bilden die Spannungen U_D, U_E-D und -U_E eine dreiphasige Spannungsversorgung an Phasenspannungen, welche jeweils um 120° zueinander phasenversetzt sind. Es kann dabei möglich sein, die Maximalamplituden der Phasenspannungen U_D bzw. U_E entsprechend zu wählen, dass die Spannungen U_D, U_E-D und -U_E eine dreiphasige Spannungsversorgung bilden, wie sie im Bezug auf 4 dargestellt ist. Dadurch kann es möglich sein, durch Anschließen der entsprechenden Ausgangsanschlüsse 1a und 1b sowie des Verbindungsanschluss 1c der Energiespeichereinrichtung 1 in 2 an die Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c der elektrischen Maschine 2 eine dreiphasige Versorgungsspannung für die dreiphasige elektrische Maschine 2 zu erzeugen.
Es kann alternativ auch möglich sein, eine zweiphasige elektrische Maschine als elektrische Maschine 2 zu verwenden. In diesem Fall kann es möglich sein, die Phasenleitung 2c, welche mit dem Verbindunganschluss 1c gekoppelt ist, mit dem Sternpunkt der zweiphasigen elektrischen Maschine 2 zu verbinden. Zweiphasige elektrische Maschinen im Sinne der Erfindung können dabei Maschinen sein, deren Wicklungssysteme zwei Phasen bilden, die um 90° elektrisch gegeneinander angeordnet sind und dementsprechend zwei Phasenspannungen erzeugen, die ebenfalls eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.
8 zeigt eine schematische Darstellung von beispielhaften Spannungsverläufen der Phasenspannungen U_D und U_E, welche einen Phasenversatz δ2 von 90° aufweisen. Mit einem derartigen Phasenversatz ist die Summe der Phasenströme, welche auf den Phasenleitungen 2a und 2b in der zweiphasigen elektrischen Maschine 2 zusammenlaufen ungleich Null. Daher kann die Phasenleitung 2c im Sternpunkt der Maschine 2 angeschlossen werden, um diese Summe der Phasenströme wieder aus der elektrischen Maschine 2 herauszuführen.
Ein Vorteil des Systems 20 beim Betrieb einer zweiphasigen elektrischen Maschine 2 besteht darin, dass die zwei Energieversorgungszweige im Mittel mit derselben Leistung belastet werden. Dadurch ergibt sich eine symmetrische Lastaufteilung über alle Batteriezellen, so dass ein Balancing der Energiespeicherzellenmodule 5 einfacher realisiert werden kann.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in 2 beispielhaft dargestellt. In einem ersten Schritt 11 erfolgt ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 9 des einen der zwei Energieversorgungszweige zum Erzeugen einer ersten Phase der n-phasigen Versorgungsspannung an einem ersten Ausgangsanschluss 1a der Energiespeichereinrichtung 1. In einem zweiten Schritt 12 erfolgt ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 9 des anderen der zwei Energieversorgungszweige zum Erzeugen einer zweiten Phase der n-phasigen Versorgungsspannung an einem zweiten Ausgangsanschluss 1b der Energiespeichereinrichtung 1. Dabei bildet die zweite Phase gegenüber der ersten Phase einen vorbestimmten Phasenversatz δ1, δ2 aus. Der vorbestimmte Phasenversatz kann dabei beispielsweise 60° betragen, wenn die n-phasige elektrische Maschine 2 eine dreiphasige elektrische Maschine ist. Alternativ kann der vorbestimmte Phasenversatz beispielsweise 90° betragen, wenn die n-phasige elektrische Maschine 2 eine zweiphasige elektrische Maschine ist.
In einem dritten Schritt 13 kann ein Einspeisen der ersten und zweiten Phase in jeweils einen der Phasenanschlüsse einer n-phasigen elektrischen Maschine 2 erfolgen. Dabei kann n = 2 oder n = 3 sein. In einem vierten Schritt 14 kann dann ein Einspeisen einer Summenspannung der ersten und zweiten Phase in den Sternpunkt der n-phasigen elektrischen Maschine 2, wenn n = 2 ist, oder ein Einspeisen der Summenspannung der ersten und zweiten Phase in den übrigen Phasenanschluss der n-phasigen elektrischen Maschine erfolgen, wenn n = 3 ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5642275 A1 [0005]

Claims

Energiespeichereinrichtung (1) zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung, wobei n = 2 oder n = 3, mit: zwei parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1a, 1b) und eine Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5n) aufweist, und eine Koppeleinrichtung (9) mit Koppelelementen (7, 8), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken; und einem Verbindungszweig (1d), welcher zwischen einen Verbindungsanschluss (1c) und die Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt ist, wobei die Koppeleinrichtungen (9) jeweils dazu ansteuerbar sind, an den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) jeweils zwei Phasen (U_D, U_E) der n-phasigen Versorgungsspannung mit einem vorbestimmten Phasenversatz (δ1, δ2) zwischen den Phasen (U_D, U_E) zu erzeugen.
Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinrichtungen (9) Koppelelemente (7, 8) in Vollbrückenschaltung umfassen.
Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinrichtungen (9) Koppelelemente (7, 8) in Halbbrückenschaltung umfassen.
Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorbestimmte Phasenversatz (δ1) einen Wert von 60° aufweist.
Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorbestimmte Phasenversatz (δ2) einen Wert von 90° aufweist.
System (20), mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (2), wobei n = 2 oder n = 3; zwei ersten Phasenleitungen (2a, 2b), welche mit jeweils einem von zwei Phasenanschlüssen der n-phasigen elektrischen Maschine (2) gekoppelt sind; einer zweiten Phasenleitung (2c), welche mit einem dritten Phasenanschluss der n-phasigen elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist, wenn n = 3, und welche mit dem Sternpunkt der n-phasigen elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist, wenn n = 2; und einer Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten beiden Phasenleitungen (2a, 2b) mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, und wobei die zweite Phasenleitung (2c) mit dem Verbindungsanschluss (1c) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 6, weiterhin mit: einer Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen (9) der Energiespeichermodule (3) der Energiespeichereinrichtung (1) zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung für die elektrische Maschine (2) selektiv anzusteuern.
Verfahren (10) zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den Schritten: Ansteuern (11) der Koppeleinrichtungen (9) des einen der zwei Energieversorgungszweige zum Erzeugen einer ersten Phase (U_D) der n-phasigen Versorgungsspannung an einem ersten Ausgangsanschluss (1a) der Energiespeichereinrichtung (1); Ansteuern (12) der Koppeleinrichtungen (9) des anderen der zwei Energieversorgungszweige zum Erzeugen einer zweiten Phase (U_E) der n-phasigen Versorgungsspannung an einem zweiten Ausgangsanschluss (1b) der Energiespeichereinrichtung (1), wobei die zweite Phase (U_E) gegenüber der ersten Phase (U_D) einen vorbestimmten Phasenversatz (δ1, δ2) aufweist; Einspeisen (13) der ersten und zweiten Phase (U_D, U_E) in jeweils einen der Phasenanschlüsse einer n-phasigen elektrischen Maschine (2), wobei n = 2 oder n = 3; und Einspeisen (14) einer Summenspannung der ersten und zweiten Phase (U_D, U_E) in den Sternpunkt der n-phasigen elektrischen Maschine (2), wenn n = 2 ist, oder Einspeisen (14) der Summenspannung der ersten und zweiten Phase (U_D, U_E) in den übrigen Phasenanschluss der n-phasigen elektrischen Maschine (2), wenn n = 3 ist.
Verfahren (10) nach Anspruch 8, wobei der vorbestimmte Phasenversatz (δ1) einen Wert von 60° aufweist.
Verfahren (10) nach Anspruch 8, wobei der vorbestimmte Phasenversatz (δ2) einen Wert von 90° aufweist.