DE102012203309A1 - Energy storage device e.g. traction battery, for e.g. three-phase electric machine of drive system of electric car, has supply and bypass switch devices cooperating with parasitic inductor of energy storage cell as synchronous transducers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine mehrphasige modulare Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung, insbesondere in einer Batteriedirektumrichterschaltung zur Spannungsversorgung elektrischer Maschinen.The invention relates to a multi-phase modular energy storage device and a method for providing a supply voltage, in particular in a battery direct converter circuit for supplying voltage to electrical machines.
Stand der TechnikState of the art
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.It is becoming apparent that in the future both stationary applications, e.g. Wind turbines or solar systems, as well as in vehicles such as hybrid or electric vehicles, increasingly electronic systems are used that combine new energy storage technologies with electric drive technology.
Zur Einspeisung von Drehstrom in eine elektrische Maschine wird herkömmlicherweise über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis wird 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. Ein derartiges Energiespeichersystem findet beispielsweise häufig Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen.To feed three-phase current into an electrical machine, a DC voltage provided by a DC voltage intermediate circuit is conventionally converted into a three-phase AC voltage via a converter in the form of a pulse-controlled inverter. The DC link is powered by a string of serially connected battery modules. In order to meet the power and energy requirements of a particular application, multiple battery modules are often connected in series in a traction battery. For example, such an energy storage system is often used in electrically powered vehicles.
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.The series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system. Furthermore, temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
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BDCs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können.BDCs typically have higher efficiency and higher reliability over conventional systems. The reliability is ensured, inter alia, that defective, failed or not fully efficient battery cells can be switched out by suitable bridging control of the coupling units from the power supply lines.
Die Gesamtausgangsspannung von BDCs wird durch den Ansteuerzustand der Koppeleinheiten bestimmt und kann stufig eingestellt werden, wobei die Stufung der Gesamtausgangsspannung von den Einzelspannungen der Energiespeichermodule abhängig ist. Dadurch ergibt sich eine Spreizung des Spannungsbereichs des BDCs, auf den die weiteren Komponenten in einem durch den BDC gespeisten System eingestellt werden müssen. Es besteht daher ein Bedarf an Energiespeichereinrichtungen, welche einen ähnlich hohen Wirkungsgrad und eine ähnliche hohe Verfügbarkeit wie BDCs aufweisen, aber geringere Anforderungen an die Auslegung der übrigen Systemkomponenten stellen.The total output voltage of BDCs is determined by the driving state of the coupling units and can be set in stages, wherein the gradation of the total output voltage of the individual voltages of the energy storage modules is dependent. This results in a spread of the voltage range of the BDC, to which the other components must be set in a system fed by the BDC. There is therefore a need for energy storage devices which have similar high efficiency and similar high availability as BDCs but place less demand on the design of the other system components.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine, mit mindestens zwei Energiespeichermodulen, welche jeweils mit einem ersten Ausgangsanschluss an einen ersten Versorgungsanschluss der Energiespeichereinrichtung und mit einem zweiten Ausgangsanschluss an einen zweiten Versorgungsanschluss der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind. Dabei weist jedes der Energiespeichermodule mindestens eine Energiespeicherzelle, welche mit dem zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, eine Versorgungsschalteinrichtung, welche zwischen die Energiespeicherzelle und den ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und eine Überbrückungsschalteinrichtung auf, welche parallel zu der Energiespeicherzelle zwischen die Versorgungsschalteinrichtung und den zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, so dass die Versorgungsschalteinrichtungen und die Überbrückungsschalteinrichtungen mit den parasitären Induktivitäten der Energiespeicherzellen jeweils als Synchronwandler zusammenwirken.According to one embodiment, the present invention provides an energy storage device for generating a supply voltage for an electrical machine, having at least two energy storage modules which are each coupled to a first supply terminal of the energy storage device with a first output terminal and to a second supply terminal of the energy storage device via a second output terminal. In this case, each of the energy storage modules has at least one energy storage cell, which is coupled to the second output terminal, a supply switching device, which is coupled between the energy storage cell and the first output terminal, and a bypass switching device, which is coupled in parallel to the energy storage cell between the supply switching device and the second output terminal in that the supply switching devices and the bypass switching devices interact with the parasitic inductances of the energy storage cells in each case as a synchronous converter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, einem Gleichspannungszwischenkreis, welcher mit den Versorgungsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und einer Steuereinrichtung, welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Versorgungsschalteinrichtungen und die Überbrückungsschalteinrichtungen zum Einstellen einer Versorgungsspannung an den Versorgungsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung anzusteuern. According to a further embodiment, the present invention provides a system comprising an energy storage device according to the invention, a DC intermediate circuit which is coupled to the supply terminals of the energy storage device, and a control device which is coupled to the energy storage device and which is adapted to the supply switching devices and the bypass switching devices to control for setting a supply voltage to the supply terminals of the energy storage device.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung in einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, mit den Schritten des Betreibens des ersten Energiespeichermoduls als variable Stromquelle durch Ansteuern der Versorgungsschalteinrichtung und der Überbrückungsschalteinrichtung des Synchronwandlers des ersten Energiespeichermoduls, des Betreibens des zweiten Energiespeichermoduls als variable Stromquelle durch Ansteuern der Versorgungsschalteinrichtung und der Überbrückungsschalteinrichtung des Synchronwandlers des zweiten Energiespeichermoduls, und des Einstellens einer Gesamtausgangsstrompegels der Energiespeichereinrichtung durch Einstellen eines Tastgrads der Versorgungsschalteinrichtungen der Energiespeichermodule.According to a further embodiment, the present invention provides a method for providing a supply voltage in an energy storage device according to the invention, with the steps of operating the first energy storage module as a variable current source by driving the supply switching device and the bypass switching device of the synchronous converter of the first energy storage module, the operation of the second energy storage module as variable A current source by driving the supply switching means and the bypass switching means of the synchronous converter of the second energy storage module, and adjusting an overall output current level of the energy storage device by adjusting a duty cycle of the supply switching means of the energy storage modules.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeichereinrichtung mit modular zuschaltbaren Energiespeichermodulen auszugestalten, wobei die parasitären Induktivitäten und die Innenwiderstände der in den Energiespeichermodulen verwendeten Energiespeicherzellen in die Ansteuerstrategie der Energiespeichereinrichtung miteinbezogen werden. Die Energiespeichermodule wirken somit als Stromquelle variabler Stromstärke, die parallel geschaltet werden. Durch die Parallelschaltung der Energiespeichermodule sinken die Schwankungen im Gesamtausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung.One idea of the present invention is to design an energy storage device with modularly connectable energy storage modules, the parasitic inductances and the internal resistances of the energy storage cells used in the energy storage modules being included in the drive strategy of the energy storage device. The energy storage modules thus act as a current source of variable current, which are connected in parallel. Due to the parallel connection of the energy storage modules, the fluctuations in the total output current of the energy storage device decrease.
Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung besteht darin, dass keine Induktivität zur Strombegrenzung des Gesamtausgangsstroms der Energiespeichereinrichtung notwendig ist, um einen an die Energiespeichereinrichtung angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis zu speisen. Dadurch entfällt in vorteilhafter Weise auch die Tendenz des Systems aus Induktivität und Zwischenkreiskondensator zu unerwünschten Schwingungen.One of the advantages of the energy storage device according to the invention is that no inductance for current limiting the total output current of the energy storage device is necessary to feed a connected to the energy storage device DC voltage intermediate circuit. This eliminates advantageously the tendency of the system of inductance and DC link capacitor to undesirable vibrations.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Parallelschaltung der Innenwiderstände der Energiespeichermodule die Einzelverluste in den Energiespeicherzellen reduziert werden und insbesondere mit steigender Gesamtausgangsstromstärke der Energiespeichereinrichtung nicht skalieren. Damit zeichnet sich die Energiespeichereinrichtung besonders bei einem Einsatz in Systemen aus, in denen hohe Stromstärken erforderlich sind, beispielsweise in elektrischen Antriebssystemen für elektrisch betriebene Fahrzeuge, bei denen für Anfahr- oder Beschleunigungssituationen ein hoher Eingangsstrom für die elektrische Maschine benötigt wird.Another advantage is that the individual losses in the energy storage cells are reduced by the parallel connection of the internal resistances of the energy storage modules and in particular do not scale with increasing total output current of the energy storage device. Thus, the energy storage device is particularly suitable for use in systems in which high currents are required, for example in electric drive systems for electrically powered vehicles, where for start-up or acceleration situations, a high input current for the electric machine is needed.
Dadurch, dass die Änderungen des Stroms in den Energiespeicherzellen aufgrund der Zwischenspeicherung der Energie in den speicherzelleneigenen Induktivitäten auf geringe Werte begrenzt sind, sind die Wechselstromverluste in den einzelnen Energiespeichermodulen ebenfalls begrenzt. Dadurch ergeben sich zum einen eine erhöhte Lebensdauer der Energiespeicherzellen, und zum anderen eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.Due to the fact that the changes in the current in the energy storage cells are limited to low values due to the buffering of the energy in the memory cell's own inductances, the AC losses in the individual energy storage modules are also limited. This results in a longer life of the energy storage cells, and on the other hand, an improved electromagnetic compatibility.
Schließlich macht der modulare Aufbau der Energiespeichermodule eine feine Stufung des Gesamtausgangsstroms möglich, beispielsweise durch die phasenversetzte Ansteuerung der jeweiligen Koppeleinheiten für die einzelnen Energiespeicherzellen. Dadurch sinkt in vorteilhafter Weise die Belastung durch Stromschwankungen auf den Zwischenkreiskondensator, was wiederum in verringerten Spannungsschwankungen resultiert. Dies ermöglicht die Verwendung von Zwischenkreiskondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit.Finally, the modular design of the energy storage modules makes a fine grading of the total output current possible, for example, by the phase-offset control of the respective coupling units for the individual energy storage cells. This advantageously reduces the load due to current fluctuations on the DC link capacitor, which in turn results in reduced voltage fluctuations. This allows the use of DC bus capacitors with lower dielectric strength.
Mit einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung gemäß der Erfindung kann die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises stabilisiert oder variabel an den Arbeitspunkt des Systems angepasst werden. Durch diese Stabilisierung ist eine effektivere und günstigere Auslegung aller Komponenten des Gesamtsystems möglich. With a modular energy storage device according to the invention, the voltage of the DC intermediate circuit can be stabilized or variably adjusted to the operating point of the system. This stabilization makes possible a more effective and more favorable design of all components of the overall system.
Die elektrische Maschine, der Inverter und mögliche Zusatzkomponenten wie zum Beispiel ein Bordnetzgleichspannungswandler können mit höherem Wirkungsgrad ausgelegt werden. Die elektrische Maschine benötigt dadurch weniger Bauraum und der Inverter weist eine geringere Verlustleistung auf. Die Batteriezellen können flexibler ausgewählt werden, da die Kapazität und die Nennspannung der Zellen besser aufeinander abgestimmt werden können.The electrical machine, the inverter and possible additional components such as an on-board DC voltage converter can be designed with higher efficiency. The electrical machine requires less space and the inverter has a lower power loss. The battery cells can be selected more flexibly, since the capacity and the nominal voltage of the cells can be better coordinated.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann jedes der Energiespeichermodule weiterhin jeweils eine Speicherdrossel aufweisen, welche zwischen die Energiespeicherzelle und die Versorgungsschalteinrichtung gekoppelt ist.According to one embodiment of the energy storage device according to the invention, each of the energy storage modules may further each have a storage choke, which is coupled between the energy storage cell and the supply switching device.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Versorgungsschalteinrichtungen und die Überbrückungsschalteinrichtungen jeweils Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate umfassen. According to a further embodiment of the energy storage device according to the invention, the supply switching devices and the bypass switching devices may each comprise field effect transistors or insulated gate bipolar transistors.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin einen Inverter, welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, und eine elektrische Maschine, welche mit dem Inverter gekoppelt ist, umfassen. Dabei kann der Inverter dazu ausgelegt sein, die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Eingangsspannung für die elektrische Maschine zu wandeln.According to another embodiment of the inventive system, the system may further include an inverter coupled to the DC link and an electrical machine coupled to the inverter. In this case, the inverter can be designed to convert the voltage of the DC intermediate circuit into an input voltage for the electrical machine.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ansteuern der Versorgungsschalteinrichtungen und Überbrückungsschalteinrichtungen des ersten Energiespeichermoduls phasenverschoben zum Ansteuern der Versorgungsschalteinrichtungen und Überbrückungsschalteinrichtungen des zweiten Energiespeichermoduls erfolgen.According to one embodiment of the method according to the invention, the driving of the supply switching devices and bypass switching devices of the first energy storage module can be carried out in phase for driving the supply switching devices and bypass switching devices of the second energy storage module.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin der Schritt des dauerhaften Öffnen der Versorgungsschalteinrichtungen und dauerhaften Schließens der Überbrückungsschalteinrichtungen der Energiespeichermodule zum parallelen Schalten der Energiespeichermodule erfolgen.In accordance with a further embodiment of the method according to the invention, the step of permanently opening the supply switching devices and permanently closing the bridging switching devices of the energy storage modules for parallel switching of the energy storage modules can furthermore take place.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
Der Gleichspannungszwischenkreis
Das System
Die Energiespeichereinrichtung
Die Energiespeichereinrichtung
Jedes der Energiespeichermodule
Die Überbrückungsschalteinrichtungen
Die Energiespeicherzellen
Es kann in einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, eine weitere (in
Eine beispielhafte Ansteuerstrategie mit mehreren verschachtelten Phasen für die einzelnen Energiespeichermodule
Der Signalblock S10a für die Ansteuersignale S1 und S2 der Versorgungsschalteinrichtung
In einem ersten Schritt
Vorteilhafterweise kann das Ansteuern der Versorgungsschalteinrichtungen
Optional kann ein Schritt
An das System
Die Versorgungsspannung der Energiespeichereinrichtung
Im Rückspeisebetrieb der Energiespeicherzellen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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