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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere in einer Batteriedirektumrichterschaltung zur gleichzeitigen Stromversorgung einer elektrischen Maschine und zur Erzeugung einer weiteren Spannungslage für ein Gleichspannungsnetz.
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Stand der Technik
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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.
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Die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine wird üblicherweise durch einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters bewerkstelligt. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis wird dabei von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet.
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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.
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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.
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BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen 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. Die Phasenausgangsspannung eines Energiespeichermodulstrangs kann durch entsprechendes Ansteuern der Koppeleinheiten variiert und insbesondere stufig eingestellt werden. Die Stufung der Ausgangsspannung ergibt sich dabei aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls, wobei die maximal mögliche Phasenausgangsspannung die Summe der Spannungen aller Energiespeichermodule eines Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.
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Die Druckschriften
DE 10 2010 027 857 A1 und
DE 10 2010 027 861 A1 beispielsweise offenbaren Batteriedirektinverter mit mehreren Batteriemodulsträngen, welche direkt an eine elektrischen Maschine anschließbar sind.
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Am Ausgang von BDIs steht keine konstante Gleichspannung zur Verfügung, da die Energiespeicherzellen auf unterschiedliche Energiespeichermodule aufgeteilt sind und deren Koppeleinrichtungen gezielt zur Erzeugung einer Spannungslage angesteuert werden müssen.
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Es besteht daher ein Bedarf an einer Energiespeichereinrichtung und einem Verfahren zum Betreiben derselben, mit denen zwei verschiedene Spannungslagen, darunter insbesondere eine Gleichspannungslage, gleichzeitig bereitgestellt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen zweier Versorgungsspannungslagen, mit mindestens einem Energieversorgungszweig, welcher eine Vielzahl von Energiespeichermodulen, welche jeweils über erste Modulanschlüsse entlang eines ersten Energieversorgungsstrangs und über zweite Modulanschlüsse entlang eines zweiten Energieversorgungsstrangs in Serie geschaltet sind, aufweist. Dabei umfassen die Energiespeichermodule jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, eine erste Koppeleinrichtung mit ersten Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv zwischen die ersten Modulanschlüsse zu schalten oder zu überbrücken, und eine zweite Koppeleinrichtung mit zweiten Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv zwischen die zweiten Modulanschlüsse zu schalten oder zu überbrücken. Die Energiespeichereinrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Ausgangsanschluss, welcher mit einem Ausgang des ersten Energieversorgungsstrangs gekoppelt ist, und an welchem eine erste Spannungslage der Energiespeichereinrichtung abgreifbar ist, und zwei Zusatzanschlüsse, welche mit den Ausgängen des zweiten Energieversorgungsstrangs gekoppelt sind, und über welche eine zweite Spannungslage der Energiespeichereinrichtung abgreifbar ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein System mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, einem Bordnetzzwischenkreiskondensator, welcher mit den Zusatzanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, einer n-phasigen elektrischen Maschine mit n Phasenanschlüssen, welche mit Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, wobei n ≥ 1, und einer Steuereinrichtung, welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen des mindestens einem Energieversorgungszweig derart anzusteuern, dass die zugehörigen Energiespeicherzellenmodule entweder in einen der Energieversorgungsstränge gekoppelt oder überbrückt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, mit den Schritten des Ansteuerns der ersten Koppelelemente eines ersten Energiespeichermoduls des Energieversorgungszweigs zum Schalten des Energiespeicherzellenmoduls des ersten Energiespeichermoduls in den ersten Energieversorgungsstrang bei gleichzeitigem Ansteuern der zweiten Koppelelemente des ersten Energiespeichermoduls zum Überbrücken des Energiespeicherzellenmoduls in dem zweiten Energieversorgungsstrang, und des Ansteuerns der zweiten Koppelelemente eines zweiten Energiespeichermoduls des Energieversorgungszweigs zum Schalten des Energiespeicherzellenmoduls des zweiten Energiespeichermoduls in den zweiten Energieversorgungsstrang bei gleichzeitigem Ansteuern der ersten Koppelelemente des zweiten Energiespeichermoduls zum Überbrücken des Energiespeicherzellenmoduls in dem ersten Energieversorgungsstrang.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichereinrichtung derart zu modifizieren, dass an zumindest einem Energieversorgungszweig zwei verschiedene Spannungslagen gleichzeitig abgegriffen werden können. Dazu ist es vorgesehen, Energiespeichermodule mit einem zentralen Energiespeicherzellenmodul und zwei separaten Koppeleinrichtungen auszugestalten, so dass innerhalb eines Energieversorgungszweigs zwei Versorgungsstränge realisiert werden können, in die die zentralen Energiespeicherzellenmodule der Energiespeichermodule selektiv, das heißt durch entsprechende Ansteuerung einer der beiden separaten Koppeleinrichtungen, eingekoppelt werden können. An den Ausgängen der beiden Versorgungsstränge können dann zwei verschiedene Versorgungsspannungen bzw. Spannungslagen bereitgestellt werden.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass sich die Energiespeichereinrichtung ohne zusätzliche Implementierungsmaßnahmen in einem System einsetzen lässt, für das eine zusätzliche Spannungslage erforderlich ist. Beispielsweise kann bei einem Einsatz der Energiespeichereinrichtung in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug gleichzeitig eine Versorgungsspannung für den elektrischen Antrieb und eine Hochvoltgleichspannung für das Hochvoltbordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise kann durch die parallele Nutzung von Energiespeichermodulen für die Bereitstellung einer von beiden Spannungslagen der Nutzungsgrad der vorhandenen Energiespeicherzellenmodule erhöht werden, wodurch der Bauteilbedarf und damit der Bauraumbedarf und das Gewicht des Systems sinken.
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Der schaltungstechnische Zusatzaufwand ist in vorteilhafter Weise gering. Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass bei der Erzeugung der zusätzlichen Spannungslage ein Balancing der beteiligten Energiespeicherzellenmodule im Betrieb des Systems erfolgen kann, so dass die Energiespeicherzellenmodule gleichmäßig belastet werden und dadurch die Lebensdauer und Verfügbarkeit der Energiespeichereinrichtung erhöht wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die ersten und/oder zweiten Koppeleinrichtungen erste Koppelelemente, beispielsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter, zum direkten Verbinden der ersten bzw. zweiten Modulanschlüsse umfassen. Es kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform dabei vorgesehen sein, dass die ersten und/oder zweiten Koppeleinrichtungen jeweils zwei zweite Koppelelemente, beispielsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter, umfassen, welche mit den Ausgängen der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule gekoppelt sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung weiterhin ein erstes Strangkoppelelement, welches an einem ersten Ausgang des Energieversorgungszweigs zwischen den ersten Energieversorgungsstrang und den zweiten Energieversorgungsstrang gekoppelt ist, und ein zweites Strangkoppelelement aufweisen, welches an einem zweiten Ausgang des Energieversorgungszweigs zwischen den ersten Energieversorgungsstrang und den zweiten Energieversorgungsstrang gekoppelt ist. Dadurch kann die zweite Spannungslage bei geeigneter erster Spannungslage auch über den ersten Energieversorgungsstrang bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn viele der Energiespeichermodule zur ersten Spannungslage in dem ersten Energieversorgungsstrang beitragen und zu diesem Zeitpunkt ohnehin nicht genügend Energiespeichermodule übrig sind, um die zweite Spannungslage in dem zweiten Energieversorgungsstrang bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung weiterhin mindestens einen weiteren Energieversorgungszweig umfassen, welcher mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und welcher eine Vielzahl von in Serie geschalteten weiteren Energiespeichermodulen aufweist. Dabei können die weiteren Energiespeichermodulen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Energiespeichereinrichtung n Ausgangsanschlüsse aufweisen, die jeweils über eine von n Phasenleitungen mit einem der n Phasenanschlüsse gekoppelt sind.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Energiespeichereinrichtung zwei Ausgangsanschlüsse aufweisen, welche mit Eingangsanschlüssen eines Pulswechselrichters gekoppelt sind, welcher an die n Phasenanschlüsse der n-phasigen elektrischen Maschine gekoppelt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Schließens der ersten und zweiten Strangkoppelelemente zum Koppeln der zwei Zusatzanschlüsse mit dem ersten Energieversorgungsstrang aufweisen, wenn die über den ersten Energieversorgungsstrang anliegende Spannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung;
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3 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung;
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4 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 und 8 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung einerseits und eine Gleichspannung andererseits. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen, von denen in 1 beispielhaft drei gezeigt sind, 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. Ein Teil der Energieversorgungszweige kann eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 3 aufweisen, welche in Energieversorgungszweigen in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 1 je drei Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b, welche jeweils an Phasenleitungen 2a bzw. 2b angeschlossen sind.
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Das System 100 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.
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Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu einer Gesamt-Ausgangsspannung, welche an dem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.
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Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a, 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a bis 5k.
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Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den in 2 und 3 gezeigten Energiespeichermodulen 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.
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Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die Koppeleinrichtung 7 ist in 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d als MOSFET-Schalter, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen, oder IGBT-Schalter ausgebildet sind. Alternativ ist es möglich, jeweils nur zwei Koppelelemente 7a, 7c auszubilden, so dass – wie in 3 beispielhaft dargestellt – eine Halbbrückenschaltung realisiert wird.
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Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der in 1 dargestellten Steuereinrichtung 6, dass das jeweilige Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Mit Bezug auf 2 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7d und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7a in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Analoge Erwägungen können jeweils für die Halbbrückenschaltung in 3 angestellt werden. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs integriert werden.
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Mit erneutem Bezug auf 1 kann ein Teil der Energieversorgungszweige der Energiespeichereinrichtung 1 eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 8 aufweisen, welche in diesen Energieversorgungszweigen in Serie geschaltet sind. Beispielhaft ist in 1 ein Energieversorgungszweig Z mit drei Energiespeichermodule 8 gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energiespeichermodulen 8 ebenso möglich sein kann. Der Energieversorgungszweig Z verfügt über zwei Energieversorgungsstränge Z1 und Z2, wobei der erste Energieversorgungsstrang Z1 über einen Ausgangsanschluss 1c an einer weitere Phasenleitung 2c angeschlossen ist, und wobei der zweite Energieversorgungsstrang Z2 an den Ausgängen des Energieversorgungszweigs Z mit zwei Zusatzanschlüssen 1d und 1e der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist.
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Der Energieversorgungszweig Z zeichnet sich gegenüber den übrigen Energieversorgungszweigen dadurch aus, dass dessen Energiespeichermodule 8 vier Modulanschlüsse 8a und 8b sowie 8c und 8d aufweisen, über welche jedes der Energiespeichermodule 8 selektiv entweder in den ersten Energieversorgungsstrang Z1 oder den zweiten Energieversorgungsstrang Z2 geschaltet werden kann. Dadurch können die einzelnen Energiespeichermodule 8 entweder zur Ausgangsspannung des ersten Energieversorgungsstrangs Z1 oder des zweiten Energieversorgungsstrangs Z2 beitragen.
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Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. 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. Dabei ist der Energieversorgungszweig Z nur über den ersten Energieversorgungsstrang Z1 mit dem Bezugspotential gekoppelt. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 bzw. 8, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 bzw. 8 vorzusehen.
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Eine beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 8, welches in dem Energieversorgungszweig Z vorgesehen ist, ist in schematischer Darstellung in 4 abgebildet. Die Energiespeichermodule 8 umfassen dabei jeweils eine erste Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7e, 7f und 7g sowie eine zweite Koppeleinrichtung 9 mit mehreren Koppelelementen 9a, 9b und 9c. Die Energiespeichermodule 8 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a bis 5k. Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise dem in 2 und 3 gezeigten Energiespeicherzellenmodul 5 entsprechen.
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Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtungen 7 und 9 verbunden, so dass die erste Koppeleinrichtung 7 das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die ersten Modulanschlüsse 8a und 8b schalten oder überbrücken kann, und die zweite Koppeleinrichtung 9 das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die zweiten Modulanschlüsse 8c und 8d schalten oder überbrücken kann. Mit anderen Worten lässt sich das Energiespeicherzellenmodul 5 über entsprechende Ansteuerung der jeweiligen Koppelelemente 7e, 7f und 7g bzw. 9a, 9b und 9c entweder in den ersten Energieversorgungsstrang Z1 oder den zweiten Energieversorgungsstrang Z2 schalten.
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Die Koppelelemente 7e, 7f und 7g bzw. 9a, 9b und 9c können ähnlich wie die Koppelelemente der 2 und 3 jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen, und als MOSFET-Schalter, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen, oder IGBT-Schalter ausgebildet sein. Fernen können die Koppelelemente 7e, 7f und 7g bzw. 9a, 9b und 9c ebenso mithilfe der in 1 dargestellten Steuereinrichtung 6 angesteuert werden, so dass das jeweilige Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen zwei der Modulanschlüsse 8a und 8b oder 8c und 8d geschaltet wird, oder das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird.
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Für die Erzeugung einer Phasenspannung zwischen dem Ausgangsanschluss 1c und der Bezugsschiene 4 in dem Energieversorgungszweig Z wird üblicherweise nur ein Teil der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 8 benötigt. Dadurch bleibt zumindest zeitweise ein Teil der Energiespeichermodule 8 hinsichtlich der Erzeugung der Gesamt-Ausgangsspannung des ersten Energieversorgungsstrangs Z1 ungenutzt. Diese Energiespeichermodule 8 können statt dessen zur Erzeugung einer weiteren Spannungslage genutzt werden, welche über dem zweiten Energieversorgungsstrang Z2 anliegt und an den zwei Zusatzanschlüssen 1d und 1e abgegriffen werden kann. Beispielsweise kann an den zwei Zusatzanschlüssen 1d und 1e ein Bordnetz eines elektrischen Fahrzeugs mit Bordnetzanschlüssen 10a und 10b angeschlossen werden, insbesondere ein Hochvoltgleichspannungsbordnetz. Mithilfe des Energieversorgungszweigs Z ist es daher möglich, gleichzeitig eine Spannungslage zur Speisung einer elektrischen Maschine 2 mit einem n-phasigen Drehstrom und eine weitere Spannungslage, beispielsweise zur Speisung eines Gleichspannungsnetzes, zu erzeugen. Vorzugsweise wird dazu die Summe aller Modulspannungen der Energiespeichermodule 8 des Energieversorgungszweigs Z höher angesetzt als die für die Erzeugung einer Phasenspannung erforderliche Spannung. Dadurch ist zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs der Energiespeichereinrichtung 1 ein Teil der Energiespeichermodule 8 des Energieversorgungszweigs Z „übrig“, welche zur Erzeugung der weiteren Spannungslage herangezogen werden können.
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Es ist dabei darauf zu achten, dass jedes der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 8 jeweils nur für einen Energieversorgungsstrang Z1 oder Z2 genutzt werden kann. Die Steuereinrichtung 6 kann dabei beispielsweise unter Berücksichtigung eines entsprechenden Zell-Balancings die Energiespeichermodule 8 entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu einem der Energieversorgungsstränge Z1 und Z2 dynamisch zuordnen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 200 mit einer Energiespeichereinrichtung 1. Das System 200 unterscheidet sich von dem System 100 im Wesentlichen darin, dass zwischen den Zusatzanschlüssen 1d und 1e ein Bordnetzzwischenkreiskondensator 11 vorgesehen ist, welcher das Bordnetz gegenüber durch hochfrequente Schaltvorgänge verursachte Spannungssprünge puffert. Zudem sind in dem System 200 ein erstes Strangkoppelelement 8e, welches an einem ersten Ausgang des Energieversorgungszweigs Z zwischen den ersten Energieversorgungsstrang Z1 und den zweiten Energieversorgungsstrang Z2 gekoppelt ist, und ein zweites Strangkoppelelement 8f, welches an einem zweiten Ausgang des Energieversorgungszweigs Z zwischen den ersten Energieversorgungsstrang Z1 und den zweiten Energieversorgungsstrang Z2 gekoppelt ist, vorgesehen. Die Strangkoppelelemente 8e, 8f können dazu dienen, an den zwei Zusatzanschlüssen 1d, 1e statt der über dem zweiten Energieversorgungsstrang Z2 anliegenden Spannungslage die über dem ersten Energieversorgungsstrang Z1 anliegende Spannungslage bereitzustellen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die momentane Spannung über dem ersten Energieversorgungsstrang Z1 hoch ist, das heißt, wenn viele der Energiespeichermodule 8 in den ersten Energieversorgungsstrang Z1 geschaltet sind. Beispielsweise kann ein Koppeln der zwei Zusatzanschlüsse 1d, 1e mit dem ersten Energieversorgungsstrang Z1 über die Strangkoppelelemente 8e, 8f immer dann erfolgen, wenn die über den ersten Energieversorgungsstrang Z1 anliegende Spannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. In einem derartigen Zustand kann die verbleibende Anzahl von Energiespeichermodulen 8 unter Umständen nicht mehr ausreichen, um die erforderliche Spannung in dem zweiten Energieversorgungsstrang Z1 zu erzeugen. In diesem Fall kann durch selektives Schließen der Strangkoppelelemente 8e, 8f die in dem ersten Energieversorgungsstrang Z1 vorhandene Spannung an die zwei Zusatzanschlüsse 1d, 1e gekoppelt werden. Bei dieser Implementierungsform kann die maximale Zweigspannung so hoch sein wie die maximal erforderliche Phasenspannung des Energieversorgungszweigs Z. Die Strangkoppelelemente 8e, 8f können beispielsweise Halbleiterschalter aufweisen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 300 mit einer Energiespeichereinrichtung 1, welche lediglich den Energieversorgungszweig Z aufweist. Der erste Energieversorgungsstrang Z1 ist dabei mit Ausgangsanschlüssen 1f und 1g gekoppelt, während der zweite Energieversorgungsstrang Z2 mit den Zusatzanschlüssen 1d, 1e gekoppelt ist. Dieses System 300 realisiert eine einphasige Energiespeichereinrichtung 1, wobei eine erste einphasige Spannungslage an den Ausgangsanschlüssen 1f und 1g, und gleichzeitig eine weitere Spannungslage an den Zusatzanschlüssen 1d, 1e bereitgestellt werden kann. Die einphasige Energiespeichereinrichtung 1 kann beispielsweise als sogenannter Batteriedirektumrichter (BDC, „battery direct converter“) eingesetzt werden, welche einen Zwischenkreis speist. Durch geeignete Ansteuerung der einphasigen Energiespeichereinrichtung 1 kann über die Ausgangsanschlüsse 1f und 1g eine Spannung an dem Zwischenkreiskondensator eingestellt werden, welche zur Versorgung eines Pulswechselrichters dienen kann, der letztlich eine elektrische Maschine speist, beispielsweise eine dreiphasige elektrische Maschine. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn im Falle niedriger Drehzahlen der elektrischen Maschine eine niedrige Zwischenkreisspannung vorteilhaft ist, das Hochvoltbordnetz aber trotzdem mit ausreichend hoher Spannung über die Zusatzanschlüsse 1d, 1e versorgt werden kann.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere der Energiespeichereinrichtung 1 in einer der 1, 4 oder 5. In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Ansteuern der ersten Koppelelemente 7e, 7f, 7g eines ersten Energiespeichermoduls des Energieversorgungszweigs Z zum Schalten des Energiespeicherzellenmoduls des ersten Energiespeichermoduls in den ersten Energieversorgungsstrang Z1. Gleichzeitig dazu erfolgt in einem zweiten Schritt 22 ein Ansteuern der zweiten Koppelelemente 9a, 9b, 9c des ersten Energiespeichermoduls zum Überbrücken des Energiespeicherzellenmoduls in dem zweiten Energieversorgungsstrang Z2. In einem dritten Schritt 23 erfolgt dann ein Ansteuern der zweiten Koppelelemente 9a, 9b, 9c eines zweiten Energiespeichermoduls des Energieversorgungszweigs Z zum Schalten des Energiespeicherzellenmoduls des zweiten Energiespeichermoduls in den zweiten Energieversorgungsstrang Z2. Gleichzeitig dazu erfolgt in einem vierten Schritt 24 ein Ansteuern der ersten Koppelelemente 7e, 7f, 7g des zweiten Energiespeichermoduls zum Überbrücken des Energiespeicherzellenmoduls in dem ersten Energieversorgungsstrang Z1.
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Optional kann in einem darauf folgenden Schritt 25, in einer Energiespeichereinrichtung eines Systems 300 ein Schließen der ersten und zweiten Strangkoppelelemente 8e, 8f zum Koppeln der zwei Zusatzanschlüsse 1d, 1e mit dem ersten Energieversorgungsstrang Z1 erfolgen, wenn die über den ersten Energieversorgungsstrang Z1 anliegende Spannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5642275 A1 [0005]
- DE 102010027857 A1 [0007]
- DE 102010027861 A1 [0007]
