DE102012202856A1

DE102012202856A1 - Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: DE102012202856A1
Application number: DE201210202856
Authority: DE
Inventors: Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-29
Also published as: FR2987512B1; CN103296714B; CN103296714A; FR2987512A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung (30; 40) für eine Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, mit einer Halbbrückenschaltung (9) mit einer Vielzahl von Speiseanschlüssen (8a, 8b, 8c), welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, einem ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a), welcher mit der Halbbrückenschaltung (9) gekoppelt ist, einem zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47b), welcher mit einer Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, einem Tiefsetzsteller (31, 32, 33; 41, 32, 33), welcher zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a) und den zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47b) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, einen Gleichstrom (IL) zum Laden der Energiespeichermodule (3) bereitzustellen, und einer Speiseschaltung (35; 44, 45), welche mit Eingangsanschlüssen des Tiefsetzstellers (31, 32, 33; 41, 32, 33) gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, zumindest zeitweise eine Ladegleichspannung (UN) für den Tiefsetzsteller (31, 32, 33; 41, 32, 33) bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere zum Laden eines Batteriedirektumrichters mit einer Gleichspannung.
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.
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.
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 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.
BDIs weisen gegenüber herkömmlichen Systemen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Ausfallsicherheit und einen deutlich höheren 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.
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.
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 auch das Laden der Energiespeicherzellen über eine herkömmliche Gleichspannungsquelle nicht ohne weiteres möglich.
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.
Offenbarung der Erfindung
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 Halbbrückenschaltung mit einer Vielzahl von Speiseanschlüssen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, einem ersten Speiseknoten, welcher mit der Halbbrückenschaltung gekoppelt ist, einem zweiten Speiseknoten, welcher mit einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, einem Tiefsetzsteller, welcher zwischen den ersten Speiseknoten und den zweiten Speiseknoten gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, einen Gleichstrom zum Laden der Energiespeichermodule bereitzustellen, und einer Speiseschaltung, welche mit Eingangsanschlüssen des Tiefsetzstellers gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, zumindest zeitweise eine Ladegleichspannung für den Tiefsetzsteller bereitzustellen.
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 Speiseanschlüsse jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, und deren zweiter Speiseknoten mit einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung. Die Gleichspannungsabgriffsanordnung weist einen Bezugsanschluss, welcher mit dem zweiten Speiseknoten der Ladeschaltung gekoppelt ist, und einen Hochsetzsteller auf, welcher zwischen den ersten Speiseknoten der Ladeschaltung und den Bezugsanschluss gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Potential zwischen der Halbbrückenschaltung und dem Bezugsanschluss eine Gleichspannung an Abgriffsanschlüssen der Gleichspannungsabgriffsanordnung bereitzustellen. Dabei stellt die Wandlerdrossel des Tiefsetzstellers der Ladeschaltung gleichzeitig die Wandlerdrossel des Hochsetzstellers der Gleichspannungsabgriffsanordnung dar.
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 Halbbrückenschaltung, welche eine Vielzahl von 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.
Vorteile der Erfindung
Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung mit den Ausgängen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere eines Batteriedirektumrichters, zu koppeln, mit der eine Gleichspannung zum Laden von Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung in die Ausgänge der Energiespeichereinrichtung eingespeist werden kann. Dazu ist es vorgesehen, eine Dioden-Halbbrücke als Speiseeinrichtung an die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung anzukoppeln, mit Hilfe derer ein Ladestrom der Ladeschaltung über alle Ausgangsanschlüsse geführt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass als Speiseeinrichtung der Ladeschaltung eine Dioden-Halbbrücke einer Gleichspannungsabgriffsanordnung genutzt werden kann, welche bereits zur Bereitstellung einer weiteren Gleichspannungslage, beispielsweise zur Speisung eines Zwischenkreiskondensators des Bordnetzes aus der Energiespeichereinrichtung, vorhanden ist.
Ein erheblicher Vorteil dieser Ladeschaltung besteht darin, dass sie kompatibel mit einer Gleichspannungsabgriffsanordnung ist, das heißt, dass sich die Ladeschaltung und die Gleichspannungsabgriffsanordnung im 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.
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.
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.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung kann die Halbbrückenschaltung eine Vielzahl von Dioden aufweisen, welche jeweils zwischen den ersten Speiseknoten und einen der Vielzahl von Speiseanschlüssen gekoppelt sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Halbbrückenschaltung eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln aufweisen, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden und den ersten Speiseknoten gekoppelt sind. Dadurch können Schwankungen, insbesondere zu bestimmten Zeitpunkten der Ansteuerung der Energiespeichereinrichtung hochfrequente Schwankungen, der Potentiale an den Ausgangsanschlüssen ausgeglichen bzw. abgepuffert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung kann der Tiefsetzsteller eine Wandlerdrossel, eine Freilaufdiode, und einen Halbleiterschalter aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Halbleiterschalter einen Leistungshalbleiterschalter aufweisen, beispielsweise einen MOSFET-Schalter oder einen IGBT-Schalter.
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 den Tiefsetzsteller bereitzustellen.
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 den Tiefsetzsteller bereitzustellen.
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.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine erste Verpolschutzdiode aufweisen, welche zwischen die Abgriffsanschlüsse der Gleichspannungsabgriffsanordnung gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine zweite Verpolschutzdiode aufweisen, welche zwischen die Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Tiefsetzens der Ladegleichspannung mit einem Tiefsetzsteller umfassen, welcher eine Wandlerdrossel, eine Freilaufdiode, und einen Halbleiterschalter aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Erfassens eines Betriebszustands der Energiespeichereinrichtung und des selektiven Öffnens des Halbleiterschalters des Tiefsetzstellers in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebszustand umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem eingesetzt werden.
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 Systems mit einer Energiespeichereinrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung für einen Energieversorgungszweig einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung für einen Energieversorgungszweig einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Laden einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Sammelanschlüsse 8a, 8b und 8c einerseits und über einen Bezugsanschluss 8d andererseits gekoppelt. An Abgriffsanschlüssen 8e und 8f kann eine Gleichspannung U_ZK 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 U_ZK zwischen den Abgriffsanschlüssen 8e und 8f und der Bordnetzspannung – dieses Bordnetz direkt angeschlossen werden.
Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 weist eine Halbbrückenschaltung 9 auf, welche über Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Die Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c können dabei beispielsweise an den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c des Systems 200 gekoppelt sein. Die Halbbrückenschaltung 9 kann eine Vielzahl von 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 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 Kommutierungsdrosseln 9b vorgesehen sein, welche jeweils zwischen die Dioden 9a und den Sammelpunkt gekoppelt sind. Die 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 Dioden 9a weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.
Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 weist weiterhin einen Bezugsanschluss 8d auf, welcher mit einer Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Zwischen dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d besteht daher eine Potentialdifferenz, welche durch einen Hochsetzsteller 14, welcher zwischen die Halbbrückenschaltung 9 und den Bezugsanschluss 8d gekoppelt ist, hochgesetzt werden kann. Der Hochsetzsteller 14 ist dabei dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem Potential zwischen der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d eine Gleichspannung U_ZK 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 dem Bezugsanschluss 8d koppelt. Alternativ kann die Wandlerdrossel 10 auch zwischen dem Bezugsanschluss 8d 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 Ausgangsabgriff 8f und dem Stellerschaltelement 12 vorgesehen sein kann.
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 gesperrt ist. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jeder andere Leistungshalbleiterschalter für das Stellerschaltelement 12 ebenso eingesetzt werden kann.
Es besteht die Möglichkeit, auf das Stellerschaltelement 12 zu verzichten, oder das Stellerschaltelement 12 in einem dauerhaft sperrenden Zustand zu belassen, insbesondere dann, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d 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.
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 14 eine geglättete Gleichspannung U_ZK 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.
Die Anzahl der Dioden 9a in der Halbbrückenschaltung 9 ist in 4 beispielhaft mit 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 der Halbbrückenschaltung 9 ebenso möglich ist, je nachdem, welche Phasenspannungen von der Energiespeichereinrichtung 1 erzeugt werden.
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 Dioden 9a mit ihren Kathoden an die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c der Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen sind. In der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 der 5 steht daher an einem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 stets das jeweils momentan niedrigste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b, 2c an. Auch in der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 der 5 besteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d, welche durch den Hochsetzsteller 14 zu einer Gleichspannung U_ZK hochgesetzt werden kann.
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.
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.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 30, welche Eingangsanschlüsse 36a, 36b aufweist, an denen eine Ladegleichspannung U_N eingespeist werden kann. Die Ladegleichspannung U_N kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Gleichspannungswandler, gesteuerte oder geregelte Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC, „power factor correction“) oder dergleichen. Die Ladegleichspannung U_N 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 U_N erheblich reduziert. An Speiseknoten 37a und 37b der Ladeschaltung 30 kann eine Ausgangsspannung U_L 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.
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 I_L kann beispielsweise die Ausgangsspannung einer zu ladenden Energiespeicheranordnung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines Zweigs einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 1 bis 5 dargestellt, oder alternativ das über den Halbleiterschalter 33 implementierte Tastverhältnis des Tiefsetzstellers dienen. Es kann auch möglich sein, die über dem Zwischenkreiskondensator 35 anliegende Eingangsspannung U_N als Stellgröße für den Ladestrom I_L zu verwenden.
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.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 40, welche Eingangsanschlüsse 46a, 46b aufweist, an denen eine Ladewechselspannung u_ch eingespeist werden kann. Die Ladewechselspannung u_ch kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Wechselrichtervollbrücken oder dergleichen. Die Ladewechselspannung weist vorzugsweise einen rechteckförmigen lückenden oder nicht lückenden Verlauf und eine hohe Grundfrequenz auf. Die Ladewechselspannung u_ch kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz mit nachgeschalteter Wechsel- oder Umrichterbrücke 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 U_N 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 u_ch 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 U_L 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.
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 u_N 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 I_L kann beispielsweise die Ausgangsspannung einer zu ladenden Energiespeicheranordnung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines Zweigs der Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 1 bis 5 dargestellt, oder alternativ der Gleichanteil der pulsierenden Gleichspannung u_N verwendet werden.
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.
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 für den Tiefsetzsteller und den Hochsetzsteller 14 benötigte Wandlerdrossel 10 bzw. 31 oder 41 sowie auch die Halbbrücke 9 gemeinsam nutzen.
In 8 ist die in 6 gezeigte Ladeschaltung 30 mit dem in 4 gezeigten System 200, welches einer Energiespeichereinrichtung 1 und eine Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 aufweist, zu einem System 400 kombiniert. Dabei wird die Halbbrückenschaltung 9 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 als Speiseschaltung für die Ladeschaltung 30 genutzt, indem der Eingangsanschluss 36b der Ladeschaltung 30 an einem Knoten 38 zwischen der Wandlerdrossel 10 und der Diode 11 des Hochsetzstellers 14 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 angebunden wird. Auf diese Weise kann die Wandlerdrossel 10 gleichermaßen als Wandlerdrossel 31 des Tiefsetzstellers der Ladeschaltung 30 fungieren. Der Speiseknoten 37b der Ladeschaltung 30 ist mit dem Kathodensammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 gekoppelt, und über die Dioden 9a der Halbbrückenschaltung 9 jeweils mit einem der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c verbunden. Die Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 dienen somit als 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 I_L über den zweiten Speiseknoten 37a, die Bezugspotentialschiene 4, die Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungszweige Z, die Halbbrückenschaltung 9, den ersten Speiseknoten 37b, die Wandlerdrossel 31 und den Knoten 38 wieder zurück in die Ladeschaltung 30 laufen kann. Durch die Dioden 9a der Halbbrückenschaltung 9 ist sichergestellt, dass auch tatsächlich elektrische Energie in die Energiespeichermodule 3 eingebracht werden kann, da die Freilaufdiode 32 einen alternativen Stromrückflusspfad anbietet, wenn der Halbleiterschalter 33 geschlossen ist.
Zwischen den Abgriffsanschlüssen 8e, 8f der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kann optional eine Verpolschutzdiode 39b gekoppelt sein, welche den Zwischenkreiskondensator 13 vor negativer Aufladung durch eventuelle Sperrströme, welche in einem aktiven Betrieb der Ladeschaltung 30 auftreten können, schützen kann.
Gleichermaßen kann optional eine Verpolschutzdiode 39a zwischen die Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung 30 gekoppelt sein, welche den Zwischenkreiskondensator 35 der Ladeschaltung 30 vor negativer Aufladung schützt, wenn die Ladeschaltung 30 deaktiviert ist, und die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 aktiviert ist.
Die Freilaufdiode 32 dient zusätzlich dem Schutz des Stellerschaltelements 12 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 vor dem Auftreten negativer Kollektor-Emitter-Spannungen, wenn das Stellerschaltelement 12 im Ladebetrieb der Ladeschaltung 30 dauerhaft leitend geschaltet ist. Dies ist dann notwendig, wenn das Stellerschaltelement 12 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 keine definierte und ausreichende Rückwärtssperrfähigkeit aufweist. Weist das Stellerschaltelement 12 dagegen eine definierte und ausreichende Rückwärtssperrfähigkeit auf, so kann auf die Freilaufdiode 32 verzichtet werden und die Freilaufdiode 32 kann durch eine elektrisch leitfähige Verbindung ersetzt werden.
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 U_L, so steigt der Ladestrom I_L, ist der Betrag dieses Werts größer als der Wert der Ladegleichspannung U_L, so sinkt der Ladestrom I_L. Auf diese Weise kann der Ladestrom I_L geregelt werden. Um eine gleichmäßige Aufteilung des Ladestroms I_L 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 Halbbrückenschaltung 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 I_L jedoch nicht.
In 9 ist die in 7 gezeigte Ladeschaltung 40 mit dem in 4 gezeigten System 200, 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 Anodensammelpunkt der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 der Ladeschaltung 40 an einem Knoten 48 zwischen der Wandlerdrossel 10 und der Ausgangsdiode 11 des Hochsetzstellers 14 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 angebunden wird. Auf diese Weise kann die Wandlerdrossel 10 gleichermaßen als Wandlerdrossel 41 des Tiefsetzstellers der Ladeschaltung 40 fungieren. Der Speiseknoten 47b der Ladeschaltung 40 ist mit dem Kathodensammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 gekoppelt, und über die Dioden 9a der Halbbrückenschaltung 9 jeweils mit einem der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c verbunden. Die Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 dienen somit als Speiseanschlüsse 8a, 8b, 8c der Ladeschaltung 40. Der zweite Speiseknoten 47a der Ladeschaltung 40 ist mit der Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, so dass ein Ladestrom I_L über den zweiten Speiseknoten 47a, die Bezugspotentialschiene 4, die Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungszweige Z, die Halbbrückenschaltung 9, den ersten Speiseknoten 47b, die Wandlerdrossel 41 und den Knoten 48 wieder zurück in die Ladeschaltung 40 laufen kann. Durch die Dioden 9a der Halbbrückenschaltung 9 ist sichergestellt, dass auch tatsächlich elektrische Energie in die Energiespeichermodule 3 eingebracht werden kann, da die Freilaufdiode 32 einen alternativen Stromrückflusspfad anbietet, wenn der Halbleiterschalter 33 geschlossen ist.
Alternativ zu einer getakteten Ansteuerung des Halbleiterschalters 33 zum Tiefsetzen der Ladegleichspannung kann der Halbleiterschalter 33 auch dauerhaft geschlossen bleiben, da ein Freilaufzustand auch durch Stellen des Momentanwerts der pulsierenden Ladegleichspannung u_N auf den Wert 0 eingestellt werden kann. Dies kann beispielsweise über eine entsprechende Vorgabe von Zeitintervallen, in denen die Ladewechselspannung u_ch an der Primärwicklung des Transformators 45 den Wert 0 aufweist, erfolgen. Durch eine derart bewirkte Variation des Tastverhältnisses der Ladegleichspannung u_N kann deren Gleichanteil variiert werden. Wiederum kann eine Verpolschutzdiode 39b vorgesehen sein, welche den Zwischenkreiskondensator 13 vor negativer Aufladung durch eventuelle Sperrströme, welche in einem aktiven Betrieb der Ladeschaltung 40 auftreten können, schützen kann.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 600, welches sich durch Kombination der Ladeschaltung 30 aus 6 mit einem System 300 aus 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.
Alle Schaltelemente der angegebenen Schaltungsanordnungen können Leistungshalbleiterschalter umfassen, beispielsweise normal sperrende oder normal leitende n- oder p-Kanal-MOSFET-Schalter oder entsprechende IGBT-Schalter. Bei der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern mit definierter und ausreichender Rückwärtssperrfähigkeit kann auf die entsprechenden Reihenschaltungen mit Dioden verzichtet werden.
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.
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 des Tiefsetzstellers der Ladeschaltung 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 von der Funktion des Tiefsetzstellers der Ladeschaltung abhängiges intermittierendes Schließen des Halbleiterschalters 33 des Tiefsetzstellers der Ladeschaltung erfolgen, so dass die Ladeschaltung in einem aktiven Zustand ist, und die Energiespeichereinrichtung 1 geladen werden kann. Dazu kann insbesondere das Stellerschaltelement 12 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 dauerhaft geschlossen werden, so dass ein Freilaufpfad des Tiefsetzstellers über die Freilaufdiode 32 gewährleistet bleibt. Alternativ dazu kann auf die Tiefsetzstellerfunktionalität in einem Lademodus verzichtet werden, wenn der Halbleiterschalter 33 dauerhaft geschlossen wird. In diesem Fall kann das Stellerschaltelement 12 der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 optional auch gesperrt werden, da der Freilaufpfad des Tiefsetzstellers über die Freilaufdiode 32 nicht genutzt wird.
In einem Schritt S2 des Verfahrens 20 kann ein zumindest zeitweises Erzeugen eines Gleichstroms I_L in Abhängigkeit von einer Ladegleichspannung U_N erfolgen, welcher in einem Schritt S4 über eine Halbbrückenschaltung 9, welche eine Vielzahl von Speiseanschlüsse 8a, 8b, 8c aufweist, die jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt sind, in die Energiespeichermodule 3 eingespeist werden kann. Der Gleichstrom I_L kann in einem Schritt S5 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 gewährleistet werden, dass zumindest zeitweise ein Ladestrom durch die Energiespeichermodule 3 der Energiespeichereinrichtung 1 fließt.
Wie weiter oben erläutert, kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Ladezustand der Energiespeichermodule 3 oder von der Größe der netzseitig bereitgestellten Ladegleichspannung U_N in einem optionalen Schritt S3 ein Tiefsetzen der Ladegleichspannung U_N mit dem Tiefsetzsteller, welcher eine Wandlerdrossel 31 bzw. 41, eine Freilaufdiode 32, und einen Halbleiterschalter 33 aufweist, erfolgen. Dazu kann der Halbleiterschalter 33 in einem intermittierenden bzw. getakteten Schaltbetrieb zur Einstellung einer gewünschten Ladespannung angesteuert werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass sich der Tiefsetzsteller die Wandlerdrossel 31 bzw. 41 und die Halbbrückenschaltung 9 mit der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 teilt. Dadurch sinkt der Bauteilbedarf des elektrischen Antriebssystems, ohne dass die Funktionsfähigkeit der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 oder Ladeschaltung 30 bzw. 40 durch die jeweils andere Schaltung beeinträchtigt wird.
Der Ladestrom I_L kann dabei sowohl durch Variation der Ladegleichspannung U_N, durch Variation der Ausgangsspannungen der Zweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 sowie optional durch Variation des Tastverhältnisses des intermittierenden Halbleiterschalters 33 beeinflusst und somit geregelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5642275 A1 [0005]
DE 102010027857 A1 [0007]
DE 102010027861 A1 [0007]

Claims

Ladeschaltung (30; 40) für eine Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, mit: einer Halbbrückenschaltung (9) mit einer Vielzahl von Speiseanschlüssen (8a, 8b, 8c), welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind; einem ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a), welcher mit der Halbbrückenschaltung (9) gekoppelt ist; einem zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47b), welcher mit einer Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist; einem Tiefsetzsteller (31, 32, 33; 41, 32, 33), welcher zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a) und den zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47b) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, einen Gleichstrom (I_L) zum Laden der Energiespeichermodule (3) bereitzustellen; und einer Speiseschaltung (35; 44, 45), welche mit Eingangsanschlüssen des Tiefsetzstellers (31, 32, 33; 41, 32, 33) gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, zumindest zeitweise eine Ladegleichspannung (U_N) für den Tiefsetzsteller (31, 32, 33; 41, 32, 33) bereitzustellen.
Ladeschaltung (30; 40) nach Anspruch 1, wobei die Halbbrückenschaltung (9) eine Vielzahl von Dioden (9a) aufweist, welche jeweils zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a) und einen der Vielzahl von Speiseanschlüssen (8a, 8b, 8c) gekoppelt sind.
Ladeschaltung (30; 40) nach Anspruch 2, wobei die Halbbrückenschaltung (9) eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln (9b) aufweist, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden (9a) und den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a) gekoppelt sind.
Ladeschaltung (30; 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Tiefsetzsteller eine Wandlerdrossel (31; 41), eine Freilaufdiode (32), und einen Halbleiterschalter (33) aufweist.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 4, wobei die Speiseschaltung einen Speisekondensator (35) aufweist, welcher zwischen Eingangsanschlüsse (36a; 36b) der Ladeschaltung (30) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die Ladegleichspannung (U_N) zum Laden der Energiespeichermodule (3) über den Tiefsetzsteller (31, 32, 33) bereitzustellen.
Ladeschaltung (40) nach Anspruch 4, wobei die Speiseschaltung einen Transformator (45), dessen Primärwicklung zwischen Eingangsanschlüsse (46a; 46b) der Ladeschaltung (30) gekoppelt ist, und einen Vollbrückengleichrichter (44) aufweist, welcher an die Sekundärwicklung des Transformators (45) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, eine pulsierende Ladegleichspannung (u_N) zum Laden der Energiespeichermodule (3) über den Tiefsetzsteller (41, 32, 33) bereitzustellen.
Elektrisches Antriebssystem (400; 500; 600), mit: einer Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist; einer Ladeschaltung (30; 40) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, deren Speiseanschlüsse (8a, 8b, 8c) jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, und deren zweiter Speiseknoten (37a; 37b; 47b) mit einer Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist; und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung (8), welche aufweist: einen Bezugsanschluss (8d), welcher mit dem zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47b) der Ladeschaltung (30; 40) gekoppelt ist; und einen Hochsetzsteller (14), welcher zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a) der Ladeschaltung (30; 40) und den Bezugsanschluss (8d) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Potential zwischen der Halbbrückenschaltung (9) und dem Bezugsanschluss (8d) eine Gleichspannung (U_ZK) an Abgriffsanschlüssen (8e, 8f) der Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) bereitzustellen, wobei die Wandlerdrossel (31; 41) des Tiefsetzstellers der Ladeschaltung (30; 40) die Wandlerdrossel (10) des Hochsetzstellers (14) der Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) darstellt.
Elektrisches Antriebssystem (400; 500; 600) nach Anspruch 7, weiterhin mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (2) mit n Phasenanschlüssen, welche mit den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, wobei n ≥ 1.
Elektrisches Antriebssystem (400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 7 und 8, weiterhin mit: einer ersten Verpolschutzdiode (39a), welche zwischen die Abgriffsanschlüsse (8e, 8f) der Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) gekoppelt ist.
Elektrisches Antriebssystem (400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, weiterhin mit: einer zweiten Verpolschutzdiode (39b; 42), welche zwischen die Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung (30; 40) gekoppelt ist.
Verfahren (20) zum Laden einer Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, mit den Schritten: zumindest zeitweises Erzeugen (S2) eines Gleichstroms (I_L) in Abhängigkeit von einer Ladegleichspannung (U_N); Einspeisen (S4) des Gleichstroms (I_L) in die Energiespeichermodule (3) über eine Halbbrückenschaltung (9), welche eine Vielzahl von Speiseanschlüsse (8a, 8b, 8c) aufweist, die jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, in die Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1); und Rückführen (S5) des Gleichstroms (I_L) über eine Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1).
Verfahren (20) nach Anspruch 11, weiterhin mit dem Schritt: Tiefsetzen (S3) der Ladegleichspannung (U_N) mit einem Tiefsetzsteller (31, 32, 33; 41, 32, 33), welcher eine Wandlerdrossel (31; 41), eine Freilaufdiode (32), und einen Halbleiterschalter (33) aufweist.
Verfahren (20) nach Anspruch 12, weiterhin mit dem Schritt: Erfassen (S1) eines Betriebszustands der Energiespeichereinrichtung (1) und selektives Öffnen des Halbleiterschalters (33) des Tiefsetzstellers (31, 32, 33; 41, 32, 33) in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebszustand.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Verfahren (20) zum Laden einer Energiespeichereinrichtung (1) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem (400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 eingesetzt wird.