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Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere zum Laden eines Batteriedirektumrichters mit einer Gleichspannung.
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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 die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Dabei kann die Koppeleinheit derart gestaltet sein, dass sie es zusätzlich erlaubt, die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle auch mit inverser Polarität in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten oder auch den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen. 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 gegenüber herkömmlichen Systemen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Ausfallsicherheit und einen deutlich geringeren Oberschwingungsgehalt ihrer Ausgangsspannung auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Ansteuerung der ihnen zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungssträngen überbrückt 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 durch 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 elektrische 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. Durch diese Verteilung steht ein BDI im Grunde nicht als Gleichspannungsquelle, beispielsweise für die Speisung eines Bordnetzes eines elektrischen Fahrzeugs, zur Verfügung. Dementsprechend ist das Laden der Energiespeicherzellen über eine herkömmliche Gleichspannungsquelle nicht ohne weiteres möglich.
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Es besteht daher ein Bedarf an einer Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und einem Verfahren zum Betreiben derselben, mit denen Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung unter Einsatz einer Gleichspannung geladen werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist, mit einer ersten Halbbrückenschaltung mit einer Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, einer zweiten Halbbrückenschaltung mit einer Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, einem ersten Speiseknoten, welcher mit der ersten Halbbrückenschaltung gekoppelt ist, einem zweiten Speiseknoten, welcher mit einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, einer Speiseschaltung, welche zwischen den ersten und zweiten Speiseknoten gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, zumindest zeitweise eine Ladegleichspannung bereitzustellen, einer Wandlerdrossel, welche zwischen einen der Speiseknoten und die Speiseschaltung gekoppelt ist, und einem Halbleiterschalter, welcher zwischen einen der Speiseknoten und die Speiseschaltung gekoppelt ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist, einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung, deren einer Speiseknoten über die Dioden einer ersten oder über die Dioden einer zweiten Halbbrückenschaltung jeweils mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und deren anderer Speiseknoten mit einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung. Die Gleichspannungsabgriffsanordnung weist einen Hochsetzsteller auf, welcher zwischen den jenen Speiseknoten der Ladeschaltung, welche mit dem Sammelpunkt einer der beiden Halbbrückenschaltungen verbunden ist, und den Sammelpunkt der weiteren Halbbrückenschaltung geschaltet ist, und welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz zwischen der ersten Halbbrückenschaltung und der zweiten Halbbrückenschaltung eine Gleichspannung an Abgriffsanschlüssen der Gleichspannungsabgriffsanordnung bereitzustellen. Dabei koppeln die Dioden der weiteren Halbbrückenschaltung deren Sammelpunkt wiederum mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung. Zudem kann der Sammelpunkt der weiteren Halbbrückenschaltung über eine zusätzliche Ausgleichsdiode mit der Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist, mit den Schritten des zumindest zeitweisen Erzeugens eines Gleichstroms in Abhängigkeit von einer Ladegleichspannung, des Einspeisens des Gleichstroms in die Energiespeichermodule über eine erste Halbbrückenschaltung, welche eine Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen aufweist, die jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, in die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung, und des Rückführens des Gleichstroms über eine Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung mit den Ausgängen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere eines Batteriedirektumrichters, zu koppeln, mit der ein Gleichstrom zum Laden von Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung in die Ausgänge der Energiespeichereinrichtung eingespeist werden kann. Dazu ist es vorgesehen, eine Dioden-Halbbrücke als Speiseeinrichtung jeweils an die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung anzukoppeln, mit Hilfe derer ein Ladestrom der Ladeschaltung über alle Ausgangsanschlüsse in die Energiespeichereinrichtung hinein und über deren Bezugspotentialschiene wieder aus dieser heraus geführt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass als Speiseeinrichtung der Ladeschaltung eine von zwei Dioden-Halbbrücken einer Gleichspannungsabgriffsanordnung genutzt werden kann, welche bereits zur Bereitstellung einer weiteren Gleichspannungslage, beispielsweise zur Speisung eines Zwischenkreiskondensators des Bordnetzes aus der Energiespeichereinrichtung, vorhanden ist.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Ladeschaltung besteht darin, dass sie kompatibel mit einer Gleichspannungsabgriffsanordnung ist, das heißt, dass sich die Ladeschaltung und die Gleichspannungsabgriffsanordnung im jeweiligen Betrieb nicht gegenseitig beeinträchtigen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anzahl der Bauelemente für die gleichzeitige Ausgestaltung einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gering gehalten werden kann, da etliche Komponenten eine doppelte Funktionalität aufweisen. Dadurch sinken der Bauteilbedarf und damit der Bauraumbedarf und das Gewicht des Systems, insbesondere bei einem elektrischen Antriebssystem, zum Beispiel in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug.
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Vorteilhafterweise kann zwischen aktivem Betrieb von Ladeschaltung einerseits und Gleichspannungsabgriffsanordnung andererseits ausgewählt werden, je nach Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung. Beispielsweise kann in einem Fahrbetriebsmodus eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einer Energiespeichereinrichtung, welche Ladeschaltung und Gleichspannungsabgriffsanordnung aufweist, die Gleichspannungsabgriffsanordnung aktiviert werden, während in einem Ruhe- oder Stillstandmodus des Fahrzeugs die Ladeschaltung aktiviert werden kann.
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Durch die Verwendung einer Dioden-Halbbrücke als Speiseeinrichtung kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass der Energiespeichereinrichtung Ladeenergie zugeführt werden kann, da die Energiespeichereinrichtung pro Energieversorgungszweig einen bipolaren Spannungsstellbereich aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung kann die Ladeschaltung weiterhin eine Ausgleichsdiode aufweisen, welche zwischen einen der Speiseknoten und die Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung können die ersten und/oder zweiten Halbbrückenschaltungen eine Vielzahl von ersten bzw. zweiten Dioden aufweisen, welche jeweils zwischen eine der Eingangsklemmen des Hochsetzstellers der Gleichspannungsabgriffsanordnung und jeweils einen der Vielzahl von ersten bzw. zweiten Speiseanschlüssen gekoppelt sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Halbbrückenschaltungen eine Vielzahl von ersten bzw. zweiten Kommutierungsdrosseln aufweisen, welche jeweils zwischen die Vielzahl von ersten bzw. zweiten Dioden und die jeweiligen Eingangsklemme des Hochsetzstellers gekoppelt sind. Dadurch können Schwankungen, insbesondere zu bestimmten Zeitpunkten der Ansteuerung der Energiespeichereinrichtung hochfrequente Schwankungen, der Potentiale an den Ausgangsanschlüssen ausgeglichen bzw. abgepuffert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung kann die Speiseschaltung einen Speisekondensator aufweisen, welcher zwischen Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die Ladegleichspannung zum Laden der Energiespeichermodule über die Wandlerdrossel bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung kann die Speiseschaltung einen Transformator, dessen Primärwicklung zwischen Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung gekoppelt ist, und einen Vollbrückengleichrichter aufweisen, welcher an die Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, eine pulsierende Ladegleichspannung zum Laden der Energiespeichermodule über die Wandlerdrossel bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine n-phasige elektrische Maschine mit n Phasenanschlüssen aufweisen, welche mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, wobei n ≥ 1.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine erste Verpolschutzdiode aufweisen, welche zwischen die Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung gekoppelt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Erfassens eines Betriebszustands der Energiespeichereinrichtung und des selektiven Öffnens oder Schließens des Halbleiterschalters der Ladeschaltung in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebszustand umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem eingesetzt werden.
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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;
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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 Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung für einen Energieversorgungszweig einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung für einen Energieversorgungszweig einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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9 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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11 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Laden 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 in Energiespeichermodulen 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen Z, 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 Z ebenso möglich sein kann. Die Energieversorgungszweige Z können eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 3 aufweisen, welche in den Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 1 je drei Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige Z über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b und 1c, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen sind.
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Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mit Hilfe 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 und 1c 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, 7d mit einem aktiven Schaltelement auszubilden, so dass – wie in 3 beispielhaft dargestellt – eine asymmetrische Halbbrückenschaltung realisiert wird.
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Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mit Hilfe 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. Ein zweiter Überbrückungszustand kann dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden. Schließlich kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7b und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7c in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in einen offenen Zustand versetzt werden. Analoge Erwägungen können jeweils für die asymmetrische Halbbrückenschaltung in 3 angestellt werden. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt und mit beliebiger Polung in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs integriert werden.
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Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. Die Energieversorgungszweige Z können an ihrem zu einem Sternpunkt verbundenen Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugspotentialschiene) verbunden werden. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Auch ohne weitere Verbindung mit einem außerhalb der Energieversorgungseinrichtung 1 liegenden Bezugspotential kann das Potential der zu einem Sternpunkt verbundenen Enden der Energieversorgungszweige Z per Definition als Bezugspotential 4 festgelegt werden.
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Für die Erzeugung einer Phasenspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b und 1c einerseits und der Bezugspotentialschiene 4 andererseits wird üblicherweise nur ein Teil der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 benötigt. Deren Koppeleinrichtungen 7 können derart angesteuert werden, dass die Gesamt-Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z stufig in einem rechteckigen Spannungs-/Strom-Stellbereich zwischen der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten negativen Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 und der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten positiven Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 einerseits und dem negativen und dem positiven Nennstrom durch ein einzelnes Energiespeichermodul 3 andererseits eingestellt werden kann.
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Eine derartige Energiespeichereinrichtung 1 wie in 1 gezeigt, weist an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c zu verschiedenen Zeitpunkten im Betrieb unterschiedliche Potentiale auf, und kann daher nicht ohne weiteres als Gleichspannungsquelle genutzt werden. Besonders in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge ist es häufig wünschenswert, das Bordnetz des Fahrzeugs, beispielsweise ein Hochvoltbordnetz oder ein Niedervoltbordnetz, aus der Energiespeichereinrichtung 1 zu speisen. Daher ist eine Gleichspannungsabgriffsanordnung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, an eine Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen zu werden, und gespeist von jener eine Gleichspannung, beispielsweise für das Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, bereitzustellen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 200 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer solchen Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 ist mit der Energiespeichereinrichtung 1 über erste Sammelanschlüsse 8a, 8b und 8c einerseits und über zweite Sammelanschlüsse 8g, 8h und 8i andererseits gekoppelt. An Abgriffsanschlüssen 8e und 8f kann eine Gleichspannung UZK der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 abgegriffen werden. An den Abgriffsanschlüssen 8e und 8f kann beispielsweise ein (nicht gezeigter) Gleichspannungswandler für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeschlossen werden oder es kann – bei geeignetem Abgleich zwischen der Spannung UZK zwischen den Abgriffsanschlüssen 8e und 8f und der Bordnetzspannung – dieses Bordnetz direkt angeschlossen werden.
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Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 weist eine erste Halbbrückenschaltung 9 auf, welche über die ersten Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Die ersten Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c können dabei beispielsweise an den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c des Systems 200 gekoppelt sein. Die erste Halbbrückenschaltung 9 kann eine Vielzahl von ersten Dioden 9a aufweisen, die jeweils an einen der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt sind, so dass jeweils Anoden der Dioden 9a mit den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c gekoppelt sind. Die Kathoden der Dioden 9a können an einem gemeinsamen Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 zusammengeschaltet sein. Dadurch steht an dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 jeweils das momentan höchste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c an. Zusätzlich kann optional eine Vielzahl von ersten Kommutierungsdrosseln 9b vorgesehen sein, welche jeweils zwischen die ersten Dioden 9a und den Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 gekoppelt sind. Die ersten Kommutierungsdrosseln 9b können dabei Potentialschwankungen, welche aufgrund von ansteuerungsbedingten stufigen Potentialwechseln in den jeweiligen Phasenleitungen 2a, 2b und 2c zeitweise auftreten können, abpuffern, so dass die ersten Dioden 9a weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.
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In analoger Weise weist die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 eine zweite Halbbrückenschaltung 15 auf, welche über die zweiten Sammelanschlüsse 8g, 8h, 8i jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Die zweiten Sammelanschlüsse 8g, 8h, 8i können dabei beispielsweise an den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c des Systems 200 gekoppelt sein. Die zweite Halbbrückenschaltung 15 kann eine Vielzahl von zweiten Dioden 15a aufweisen, die jeweils an einen der zweiten Sammelanschlüsse 8g, 8h, 8i gekoppelt sind, so dass jeweils Kathoden der Dioden 15a mit den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c gekoppelt sind. Die Anoden der Dioden 15a können an einem gemeinsamen Sammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 zusammengeschaltet sein. Dadurch steht an dem Sammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 jeweils das momentan niedrigste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c an. Zusätzlich kann optional eine Vielzahl von zweiten Kommutierungsdrosseln 15b vorgesehen sein, welche jeweils zwischen die zweiten Dioden 15a und den Sammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 gekoppelt sind. Die zweiten Kommutierungsdrosseln 15b können dabei Potentialschwankungen, welche aufgrund von ansteuerungsbedingten stufigen Potentialwechseln in den jeweiligen Phasenleitungen 2a, 2b und 2c zeitweise auftreten können, abpuffern, so dass die zweiten Dioden 15 weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.
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Die Halbbrückenschaltungen 9 und 15 sind über ihre Sammelpunkte jeweils mit einem von zwei Eingangsanschlüssen eines Hochsetzsteller 14 gekoppelt. Zwischen den Sammelpunkten besteht eine Potentialdifferenz, welche durch den Hochsetzsteller 14 hochgesetzt werden kann. Der Hochsetzsteller 14 ist dabei dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz zwischen den Halbbrückenschaltungen 9 und 15 eine Gleichspannung UZK an den Abgriffsanschlüssen 8e, 8f der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 bereitzustellen. Der Hochsetzsteller 14 kann beispielsweise eine Wandlerdrossel 10 und eine Ausgangsdiode 11 in Reihenschaltung aufweisen, deren Mittelpunktsabgriff ein Stellerschaltelement 12 mit der zweiten Halbbrückenschaltung 15 koppelt. Alternativ kann die Wandlerdrossel 10 auch zwischen der zweiten Halbbrückenschaltung 15 und dem Stellerschaltelement 12 vorgesehen sein, oder es können zwei Wandlerdrosseln 10 an beiden Eingangsanschlüssen des Hochsetzstellers 14 vorgesehen sein. Analoges gilt für die Ausgangsdiode 11, die alternativ auch zwischen dem Abgriffsanschluss 8f und dem Stellerschaltelement 12 vorgesehen sein kann.
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Das Stellerschaltelement 12 kann beispielsweise einen Leistungshalbleiterschalter aufweisen, wie zum Beispiel einen MOSFET-Schalter oder einen IGBT-Schalter. Beispielsweise kann für das Stellerschaltelement 12 ein n-Kanal-IGBT verwendet werden, welcher im Normalzustand sperrend ist. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jeder andere Leistungshalbleiterschalter für das Stellerschaltelement 12 ebenso eingesetzt werden kann.
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Es besteht die Möglichkeit, auf das Stellerschaltelement 12 zu verzichten, oder das Stellerschaltelement 12 in einem dauerhaft gesperrten Zustand zu belassen, insbesondere dann, wenn die Potentialdifferenz zwischen den Sammelpunkten der Halbbrückenschaltungen 9 und 15 stets innerhalb eines durch eine an die Abgriffsanschlüsse 8e, 8f angeschlossene weitere Komponente vorgegebenen Eingangsspannungsbereichs liegt. In diesem Fall kann in manchen Ausführungsformen auch auf die Ausgangsdiode 11 verzichtet werden.
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Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kann weiterhin einen Zwischenkreiskondensator 13 aufweisen, welcher zwischen die Abgriffsanschlüsse 8e, 8f der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 geschaltet ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die vom Hochsetzsteller 14 ausgegebenen Strompulse zu puffern und so am Ausgang des Hochsetzstellers eine geglättete Gleichspannung UZK zu erzeugen. Über den Zwischenkreiskondensator 13 kann dann beispielsweise ein Gleichspannungswandler eines Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gespeist werden oder es kann dieses Bordnetz in bestimmten Fällen auch direkt an den Zwischenkreiskondensator 13 angeschlossen werden.
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Die Anzahl der Dioden in den Halbbrückenschaltungen 9 und 15 ist in 4 beispielhaft mit jeweils drei angegeben und ist an die Anzahl der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 angepasst. Es sollte dabei klar sein, dass jede andere Anzahl von Dioden in den Halbbrückenschaltungen 9 und 15 ebenso möglich ist, je nachdem, welche Phasenspannungen von der Energiespeichereinrichtung 1 erzeugt werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 300 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Das System 300 unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten System 200 im Wesentlichen darin, dass die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 zusätzlich einen Bezugsanschluss 8d aufweist, welcher mit einer Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Zwischen den Sammelpunkten der Halbbrückenschaltungen 9 und 15 und dem Bezugsanschluss 8d sind jeweils Ausgleichsdioden 16a bzw. 17a geschaltet. Dabei ist die Kathode der ersten Ausgleichsdiode 16a mit dem Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9, und die Anode der zweiten Ausgleichsdiode 17a mit dem Sammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 gekoppelt.
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Über die Ausgleichsdioden 16a bzw. 17a können die Potentiale, die an den Sammelpunkten der Halbbrückenschaltungen 9 und 15 anstehen nach unten bzw. oben hin durch das Bezugspotential, welches an dem Bezugsanschluss 8d ansteht, begrenzt werden. Dies ermöglicht es, auch bei geringen Statorspannungen in den Phasenleitungen 2a, 2b, 2c, beispielsweise bei geringen Drehzahlen oder bei Stillstand der elektrischen Maschine 2, eine ausreichend hohe Potentialdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen des Hochsetzstellers 14 zu gewährleisten, indem das Sternpunktpotential der elektrischen Maschine 2 um einen einheitlichen Wert erhöht oder gesenkt wird. Dabei kann das Sternpunktpotential der elektrischen Maschine 2 durch gleichmäßiges Erhöhen oder Absenken der Ausgangsspannungen an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gegenüber dem Bezugspotential verschoben werden, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem jeweils momentan höchsten Potential und dem jeweils momentan niedrigsten Potential an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Das heißt, dass die Ausgangspotentiale aller Energieversorgungszweige Z um einen einheitlichen Wert angehoben bzw. gesenkt werden, ohne dass die Statorspannungen und/oder Statorströme der elektrischen Maschine 2 beeinflusst werden. Um Schwankungen durch Kommutierungsvorgänge auszugleichen, können in Reihe zu den jeweiligen Ausgleichsdioden 16a und 17a jeweils weitere Kommutierungsdrosseln 16b bzw. 17b geschaltet werden. Dabei erlaubt die Ausgleichsdiode 16a die Nutzung einer Verschiebung des Sternpunktpotentials der elektrischen Maschine 2 hin zu negativen Werten, in dem sie ein Absinken des Potentials am Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 unter das Bezugspotential verhindert. In entsprechender Weise erlaubt die Ausgleichsdiode 17a die Nutzung einer Verschiebung des Sternpunktpotentials der elektrischen Maschine 2 hin zu positiven Werten, in dem sie ein Ansteigen des Potentials am Sammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 über das Bezugspotential verhindert. Es besteht auch die Möglichkeit, die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 mit nur einer der beiden Ausgleichsdioden 16a oder 17a auszuführen. In diesem Fall ist eine Verschiebung des Sternpunktpotentials der elektrischen Maschine 2 gegenüber dem Bezugspotential nur in eine Richtung möglich.
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Um die Energiespeichermodule 3 der Energiespeichereinrichtung 1 der 4 oder 5 zu laden, ist es notwendig, eine Ladeschaltung zu implementieren, welche mit der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kombinierbar ist, und insbesondere deren Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigt. Vorzugsweise sollte die Ladeschaltung Komponenten der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 mit verwenden, um den Bauteil- und Bauraumbedarf so gering wie möglich zu halten.
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Die 6 und 7 zeigen schematische Darstellungen von Ladeschaltungen 30 bzw. 40, welche beispielsweise zum Laden eines Energieversorgungszweigs Z einer Energiespeichereinrichtung 1 eingesetzt werden können.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 30, welche Eingangsanschlüsse 36a, 36b aufweist, an denen eine Ladegleichspannung UN eingespeist werden kann. Die Ladegleichspannung UN kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Gleichspannungswandler, gesteuerte oder geregelte Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC, „power factor correction“) oder dergleichen. Die Ladegleichspannung UN kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 30 kann weiterhin einen Zwischenkreiskondensator 35 aufweisen, über welchem eine Gleichspannung abgreifbar ist und der die Rückwirkung von pulsierenden Strömen sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung 30 oder von Schaltvorgängen in der Ladeschaltung 30 selbst auf die Ladegleichspannung UN erheblich reduziert. An Speiseknoten 37a und 37b der Ladeschaltung 30 kann eine Ausgangsspannung UL der Ladeschaltung 30 abgegriffen werden, welche zum Laden einer an den Speiseknoten 37a und 37b angeschlossenen Energiespeicheranordnung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines Zweigs einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 1 bis 5 dargestellt, dienen kann.
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Die Ladeschaltung 30 weist einen Halbleiterschalter 33, eine Freilaufdiode 32 und eine Wandlerdrossel 31 auf, welche einen Tiefsetzsteller implementieren. Es ist dabei selbstverständlich, dass die Anordnung des Halbleiterschalters 33 und/oder der Wandlerdrossel 31 in den jeweiligen Strompfaden der Ladeschaltung 30 variiert werden kann, so dass beispielsweise die Wandlerdrossel 31 auch zwischen der Freilaufdiode 32 und dem Speiseknoten 37b angeordnet werden kann. Gleichermaßen kann auch der Halbleiterschalter 33 zwischen die Freilaufdiode 32 und den Eingangsanschluss 36b geschaltet werden. Als Stellgröße für den durch die Wandlerdrossel 31 fließenden Ladestrom IL kann beispielsweise die Ausgangsspannung eines zu ladenden Energiespeichermoduls oder alternativ das über den Halbleiterschalter 33 implementierte Tastverhältnis des Tiefsetzstellers dienen. Es kann auch möglich sein, die über dem Zwischenkreiskondensator 35 abfallende Eingangsspannung als Stellgröße für den Ladestrom IL zu verwenden.
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Der Tiefsetzsteller kann beispielsweise auch in einem Betriebszustand mit dem konstanten Tastverhältnis von 1 betrieben werden, so dass der Halbleiterschalter 33 dauerhaft geschlossen bleiben kann. Es kann dabei auch möglich sein, auf den Halbleiterschalter 33 und den Freilaufpfad mit der Freilaufdiode 32 zu verzichten.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 40, welche Eingangsanschlüsse 46a, 46b aufweist, an denen eine Ladewechselspannung uch eingespeist werden kann. Die Ladewechselspannung uch kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Wechselrichtervollbrücken oder dergleichen. Die Ladewechselspannung uch weist vorzugsweise einen rechteckförmigen, lückenden oder nicht lückenden Verlauf und eine hohe Grundfrequenz auf. Die Ladewechselspannung uch kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz mit nachgeschalteter Wechsel- oder Umrichterschaltung bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 40 kann weiterhin einen Transformator 45 aufweisen, dessen Primärwicklung mit den Eingangsanschlüssen 46a, 46b gekoppelt ist. Die Sekundärwicklung des Transformators 45 kann mit einer Vollbrückengleichrichterschaltung 44 aus vier Dioden gekoppelt sein, an deren Ausgang eine pulsierende Gleichspannung uN abgegriffen werden kann. Eine Variation der Intervalllänge der pulsierenden Gleichspannung kann über eine Variation der Zeitintervalle erfolgen, in denen die an der Primärwicklung des Transformators 45 anliegende Ladewechselspannung uch und damit auch die entsprechende Sekundärspannung an der Sekundärwicklung des Transformators 45 den Wert 0 aufweisen. An Speiseknoten 47a und 47b der Ladeschaltung 40 kann eine Ausgangsspannung UL der Ladeschaltung 40 abgegriffen werden, welche zum Laden einer an den Speiseknoten 47a und 47b angeschlossenen Energiespeicheranordnung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines Zweigs einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 1 bis 5 dargestellt, dienen kann.
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Die Ladeschaltung 40 weist eine Freilaufdiode 42 und eine Wandlerdrossel 41 auf, wobei die Wandlerdrossel 41 zur Glättung der von der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 bereitgestellten pulsierenden Gleichspannung uN dient. Es ist dabei selbstverständlich, dass die Anordnung der Wandlerdrossel 41 in den jeweiligen Strompfaden der Ladeschaltung 40 variiert werden kann, so dass beispielsweise die Wandlerdrossel 41 auch zwischen die Freilaufdiode 42 und den Speiseknoten 47b geschaltet werden kann. Als Stellgröße für den durch die Wandlerdrossel 41 fließenden Ladestrom IL kann beispielsweise die Ausgangsspannung einer zu ladenden Energiespeicheranordnung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines Zweigs der Energiespeicheranordnung 1 wie in den 1 bis 5 dargestellt, oder alternativ der Gleichanteil UN der pulsierenden Gleichspannung uN verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann auf die Freilaufdiode 42 ersatzlos verzichtet werden. In diesem Fall übernehmen die Dioden der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 die Funktion der Freilaufdiode 42 zusätzlich. Dadurch wird ein Bauelement gespart, im Gegenzug aber der Wirkungsgrad der Ladeschaltung 40 verringert.
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In den 8, 9 und 10 sind Ausführungsbeispiele gezeigt, wie die Ladeschaltungen 30 und 40 der 6 oder 7 mit den Systemen 200 bzw. 300 der 4 und 5 kombiniert werden können. Dabei besteht ein Vorteil der in den 8, 9 und 10 gezeigten Systeme 400, 500 bzw. 600 darin, dass die jeweilige Ladeschaltung 30 bzw. 40 und die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 insbesondere die Halbbrückenschaltungen 9 bzw. 15 gemeinsam nutzen.
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In 8 ist die in 6 gezeigte Ladeschaltung 30 mit dem in 4 bzw. 5 gezeigten System 200 bzw. 300, welches eine Energiespeichereinrichtung 1 und eine Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 aufweist, zu einem System 400 kombiniert. Dabei wird die Halbbrückenschaltungen 9 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 als Speiseschaltung für die Ladeschaltung 30 genutzt, indem der Speiseknoten 37b der Ladeschaltung 30 mit dem Kathodensammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 verbunden wird und somit über die Dioden 9a der ersten Halbbrückenschaltung 9 jeweils mit einem der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt ist. Die Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 dienen somit als erste Speiseanschlüsse 8a, 8b, 8c der Ladeschaltung 30. Der zweite Speiseknoten 37a der Ladeschaltung 30 ist mit der Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, so dass ein Ladestrom IL über den zweiten Speiseknoten 37a, die Bezugspotentialschiene 4, die Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungszweige Z, die erste Halbbrückenschaltung 9, den ersten Speiseknoten 37b und die Wandlerdrossel 31 wieder zurück in die Ladeschaltung 30 laufen kann.
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Zwischen die Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung 30 kann optional eine Verpolschutzdiode 39a gekoppelt sein, welche den Zwischenkreiskondensator 35 der Ladeschaltung 30 vor negativer Aufladung durch eventuelle Sperrströme schützt, wenn die Ladeschaltung 30 deaktiviert ist, und die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 aktiviert ist.
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Zusätzlich ist eine Ausgleichsdiode 17a vorgesehen, welche über den Bezugsanschluss 8d der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 zwischen den Anodensammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 und den zweiten Speiseknoten 37a gekoppelt ist. Die Ausgleichsdiode 17a stellt sicher, dass der Anodensammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 stets ein Potential aufweist, welches den Wert 0 nicht übersteigen kann. Dadurch kann im Fahrbetrieb mit geringer Potentialdifferenz zwischen den Sammelpunkten der Halbbrückenschaltungen 9 und 15, z.B. bei geringer Drehzahl der elektrischen Maschine 2 oder im Stillstand, durch Verschieben des Sternpunktpotenzials der elektrischen Maschine 2 hin zu positiven Werten dem Hochsetzsteller 14 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 trotzdem eine ausreichend hohe Eingangsspannung zur Verfügung gestellt werden. Zudem ist durch die Diode 17a das Stellerschaltelement 12 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 automatisch vor dem Auftreten negativer Kollektor-Emitter-Spannungen geschützt, selbst wenn das Stellerschaltelement 12 im Ladebetrieb der Ladeschaltung 30 dauerhaft leitend geschaltet sein sollte. Soll diese soeben beschriebene Möglichkeit zur Erhöhung der Eingangsspannung des Hochsetzstellers 14 nicht genutzt werden, so kann die Ausgleichsdiode 17a auch ersatzlos entfallen.
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Die Ausgangspotentiale der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 können in einem Ladebetriebsmodus, das heißt, bei aktivierter Ladeschaltung auf einen einheitlichen, insbesondere negativen Wert eingestellt werden. Ist der Betrag dieses Werts geringer als der Wert der Ladegleichspannung UL, so steigt der Ladestrom IL, ist der Betrag dieses Werts größer als der Wert der Ladegleichspannung UL, so sinkt der Ladestrom IL. Auf diese Weise kann der Ladestrom IL geregelt werden. Um eine gleichmäßige Aufteilung des Ladestroms IL auf die einzelnen Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 zu gewährleisten, kann ein Regler Abweichungen zwischen den Ausgangspotentialen der Energieversorgungszweige Z vorgeben. Hierzu können die Kommutierungsdrosseln 9b der Halbbrückenschaltungen 9 als Symmetrierdrosseln eingesetzt werden. Die Kommutierungsdrosseln 9b können beispielsweise auch auf einem, zwei oder drei Kernen derart angeordnet werden, dass nur Abweichungen zwischen den Ladeströmen durch die einzelnen Zweige Magnetfelder hervorrufen können, der gesamte Ladestrom IL jedoch nicht.
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In 9 ist die in 7 gezeigte Ladeschaltung 40 mit dem in 4 bzw. 5 gezeigten System 200 bzw. 300, welches einer Energiespeichereinrichtung 1 und eine Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 aufweist, zu einem System 500 kombiniert. Dabei wird die Halbbrückenschaltung 9 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 als Speiseschaltung für die Ladeschaltung 40 genutzt, indem der Speiseknoten 47b der Ladeschaltung 40 mit dem Kathodensammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 verbunden wird und somit über die ersten Dioden 9a der ersten Halbbrückenschaltung 9 jeweils mit einem der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt ist. Die Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 dienen somit als erste Speiseanschlüsse 8a, 8b, 8c der Ladeschaltung 40. Der zweite Speiseknoten 47a der Ladeschaltung 40 ist über einen Halbleiterschalter 33 mit der Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, so dass ein Ladestrom IL über den zweiten Speiseknoten 47a, die Bezugspotentialschiene 4, die Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungszweige Z, die erste Halbbrückenschaltung 9, den ersten Speiseknoten 47b und die Wandlerdrossel 41 wieder zurück in die Ladeschaltung 40 laufen kann.
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Der Halbleiterschalter 33 bleibt in einem Ladebetrieb dauerhaft geschlossen, wobei ein Freilaufzustand durch Stellen des Momentanwerts der pulsierenden Ladegleichspannung uN auf den Wert 0 eingestellt werden kann. Dies kann beispielsweise über eine entsprechende Ansteuerung der Primärwicklung des Transformators 45 erfolgen. Durch Öffnen des Halbleiterschalters 33 bei deaktivierter Ladeschaltung 40 kann gewährleistet werden, dass sich insbesondere bei aktivierter Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kein Kurzschluss am Eingang des Hochsetzstellers 14 über die Diode 42 oder die Vollbrückengleichrichterschaltung 44 einstellt, welcher einen ordnungsgemäßen Betrieb der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 verhindern würde.
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Wie auch schon in dem in 8 dargestellten System 400 ist auch in dem hier dargestellten System 500 eine Ausgleichsdiode 17a vorgesehen, für welche die selben Aussagen gelten, die auch schon bei der Beschreibung des Systems 400 anhand der 8 gemacht wurden.
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In beiden Systemen 400 und 500 wird auf die zweiten Ausgleichsdioden 16a der Systeme 200 bzw. 300 verzichtet, da sich sonst ein Strompfad einstellen würde, welcher den Ladestrom IL an der Energiespeichereinrichtung 1 vorbei führen würde, und damit ein Ladebetrieb nicht möglich wäre.
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10 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 600, welches sich wie auch schon das in 8 gezeigte System 400 durch eine Kombination der Ladeschaltung 30 aus 6 mit einem System 200 bzw. 300 aus 4. bzw. 5 ergibt. Das System 600 unterscheidet sich von dem System 400 im Wesentlichen dadurch, dass die Ladeschaltung 30 in umgekehrter Polung an die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 angebunden ist, und dass in einem Ladebetrieb der Energiespeichereinrichtung 1 die Energieversorgungszweige auf ein einheitliches, insbesondere positives Ausgangspotential eingestellt werden. In gleicher Weise sollte es klar sein, dass sich ein System mit umgekehrter Polung auch durch Kombination der Ladeschaltung 40 aus 7 mit einem System 300 aus 5 implementieren lässt. In diesen Fällen darf als Ausgleichsdiode nur die bereits in 5 vorhandene Diode 16a zwischen der Bezugspotentialschiene 4 und dem Kathodensammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 verwendet werden. Eine Ausgleichsdiode 17a zwischen dem Anodensammelpunkt der Halbbrückenschaltung 15 und der Bezugspotentialschiene 4 darf dagegen nicht vorgesehen sein, da sich sonst ein Strompfad einstellen würde, welcher den Ladestrom IL an der Energiespeichereinrichtung 1 vorbei führen würde, und damit ein Ladebetrieb nicht möglich wäre.
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Alle Schaltelemente der angegebenen Schaltungsanordnungen können Leistungshalbleiterschalter umfassen, beispielsweise normal sperrende oder normal leitende n- oder p-Kanal-IGBT-Schalter oder entsprechende MOSFET-Schalter. Bei der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern mit Rückwärtssperrfähigkeit kann auf die entsprechenden Parallelschaltungen mit Dioden verzichtet werden.
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11 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Laden einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 1, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 10 beschrieben. Das Verfahren 20 kann beispielsweise zum Laden einer Energiespeichereinrichtung 1 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem 400, 500 oder 600 der 8, 9 bzw. 10 eingesetzt werden.
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In einem optionalen Schritt S1 kann zunächst ein Erfassen eines Betriebszustands der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen. Wenn beispielsweise der Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung 1 ein Zustand ist, in dem die Energiespeichereinrichtung 1 eine Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c bereitstellt, zum Beispiel für den Fahrbetrieb einer elektrischen Maschine 2 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, kann ein dauerhaftes Öffnen des Halbleiterschalters 33 erfolgen, so dass die Ladeschaltung deaktiviert ist. Diese Deaktivierung kann insbesondere unabhängig vom Betrieb der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 der 8 bis 10 erfolgen, so dass die Energiespeichereinrichtung 1 während des Fahrbetriebs weiterhin eine Gleichspannungslage für das Bordnetz des Fahrzeugs bereitstellen kann. Wenn der Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung 1 ein Zustand ist, in dem die Energiespeichereinrichtung 1 keine Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c bereitstellt, zum Beispiel in einem Stillstand- oder Ruhebetrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, kann ein dauerhaftes Schließen des Halbleiterschalters 33 der Ladeschaltung erfolgen, so dass die Ladeschaltung in einem aktiven Zustand ist, und die Energiespeichereinrichtung 1 geladen werden kann. Das Stellerschaltelement 12 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kann im Ladebetrieb entweder geöffnet oder auch geschlossen werden, da kein Freilaufpfad der Ladeschaltung über das Stellerschaltelement 12 realisiert werden muss.
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In einem Schritt S2 des Verfahrens 20 kann ein zumindest zeitweises Erzeugen eines Gleichstroms IL in Abhängigkeit vom Gleichanteil UN einer pulsierenden Ladegleichspannung uN erfolgen, welcher in einem Schritt S3 über eine der Halbbrückenschaltungen 9 oder 15, welche eine Vielzahl von Speiseanschlüsse 8a, 8b, 8c bzw. 8g, 8h, 8i aufweist, die jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt sind, in die Energiespeichermodule 3 eingespeist werden kann. Der Gleichstrom IL kann in einem Schritt S4 über eine Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 wieder in die Ladeschaltung zurückgeführt werden. Da die Energiespeichereinrichtung 1 in einem bipolaren Spannungsstellbereich betrieben wird, kann durch die Halbbrückenschaltung 9 bzw. 15 gewährleistet werden, dass zumindest zeitweise ein Ladestrom durch die Energiespeichermodule 3 der Energiespeichereinrichtung 1 fließt.
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Der Ladestrom IL wird dazu über die Wandlerdrossel 31 bzw. 41 der Ladeschaltung 30 bzw. 40 geführt. Der Halbleiterschalter 33 wird im Ladebetrieb dauerhaft geschlossen, da eine Freilaufdiode zwischen Ladeschaltung und einer der Halbbrückeneinrichtungen 9 bzw. 15 den Betrieb der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 durch den dann vorhandenen Kurzschluss über die jeweilige Halbbrückeneinrichtung 9 bzw. 15 und die Wandlerdrossel 31 bzw. 41 unmöglich machen würde.
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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]
