DE102012205109A1

DE102012205109A1 - Energiespeichereinrichtung mit Kühlelementen und Verfahren zum Kühlen von Energiespeicherzellen

Info

Publication number: DE102012205109A1
Application number: DE201210205109
Authority: DE
Inventors: Eckart Reihlen; Jens Schneider; Hans-Joerg Wolff; Anne Heubner
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: WO2013143847A3; KR101698401B1; US9793710B2; US20150123481A1; WO2013143847A2; KR20150000493A; DE102012205109B4; CN104205558B; CN104205558A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine, mit mindestens einem parallel geschalteten Energieversorgungszweig, welche jeweils eine Vielzahl von in Serie geschalteten ersten und zweiten Energiespeichermodulen aufweisen. Die ersten und zweiten Energiespeichermodulen umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken, wobei die zweiten Energiespeichermodule weiterhin jeweils ein Kühlelement für die mindestens eine Energiespeicherzelle aufweisen, und wobei das Kühlelement dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Energiespeicherzelle in Abhängigkeit von einem Steuersignal einer Kühlsteuereinrichtung zu kühlen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung mit Kühlelementen, insbesondere in einer Batteriedirektumrichterschaltung zur Spannungsversorgung elektrischer Maschinen, sowie ein Verfahren zum Kühlen von spezialisierten Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere für einen Notlaufmodus eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
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.
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.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.
In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit in die Batterie integriert.
Als Alternative offenbaren die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 modular verschaltete Batteriezellen in Energiespeichereinrichtungen, die über eine geeignete Ansteuerung von Koppeleinheiten selektiv in den Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen zu- oder abgekoppelt werden können. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Battery Direct Converter (Batteriedirektwandler, BDC) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in einem Energiespeichermodulstrang, welche an einen Gleichspannungszwischenkreis zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Netzes über einen Pulswechselrichter anschließbar sind.
Der Energiespeichermodulstrang weist 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. Optional 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.
Sowohl BDCs als auch BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können.
Bei der Verwendung derartiger Systeme in elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann es vorkommen, dass die Batteriezellen und/oder sonstige Komponenten der jeweiligen Energiespeichermodule überhitzen und es zu Schädigungen der Energiespeichereinrichtung kommt. Um dies zu vermeiden, werden üblicherweise Maßnahmen eingesetzt, die die Temperatur der Energiespeichereinrichtung in einem für die Sicherheit und Funktionsfähigkeit der Energiespeichereinrichtung unkritischen Bereich hält. Es besteht ein Bedarf an effizienten, kostengünstigen und reaktionsschnellen Verfahren zur Realisierung einer Klimatisierung von modular aufgebauten Energiespeichereinrichtungen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine, mit mindestens einem parallel geschalteten Energieversorgungszweig, welche jeweils eine Vielzahl von in Serie geschalteten ersten und zweiten Energiespeichermodulen aufweisen. Die ersten und zweiten Energiespeichermodulen umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken, wobei die zweiten Energiespeichermodule weiterhin jeweils ein Kühlelement für die mindestens eine Energiespeicherzelle aufweisen, und wobei das Kühlelement dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Energiespeicherzelle in Abhängigkeit von einem Steuersignal einer Kühlsteuereinrichtung zu kühlen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n ≥ 1, deren Phasenleitungen mit Phasenanschlüssen der Energiespeichereinrichtung verbunden sind, und einer Kühlsteuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Steuersignale für die Ansteuerung der Kühlelemente in Abhängigkeit von der Temperatur der Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, mit den Schritten des Erfassens der Temperatur der Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung, des Kühlens der Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichermodule jedes Energieversorgungszweigs mithilfe der Kühlelemente, wenn die erfasste Temperatur für die zweiten Energiespeichermodule einen ersten Temperaturschwellwert überschreitet, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichermodule zum Erzeugen der Versorgungsspannung durch die zweiten Energiespeichermodule, wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule einen zweiten Temperaturschwellwert überschreitet, der größer als der erste Temperaturschwellwert ist, bei gleichzeitigem Abschalten der ersten Energiespeichermodule, wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule den zweiten Temperaturschwellwert überschreitet.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, den Energie- und Zeitbedarf für eine Kühlung von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung zu senken, und gleichzeitig die Verfügbarkeit eines mit der Energiespeichereinrichtung betriebenen elektrischen Antriebssystems zu erhöhen. Dazu werden in der Energiespeichereinrichtung spezielle Energiespeichermodule ausgewählt, welche mit Kühlelementen ausgestattet werden, und in kritischen Situationen gesondert und effektiv gekühlt werden können.
Die gekühlten Energiespeicherzellen können dann vorteilhafterweise zur (Not-)Spannungserzeugung durch die Energiespeichereinrichtung genutzt werden, wenn eine kritische Betriebssituation mit erhöhten Temperaturen vorliegt, beispielsweise während eines Notlaufbetriebs eines mit der Energiespeichereinrichtung betriebenen elektrischen Fahrzeugs.
Ein Vorteil besteht darin, dass der Energiebedarf für die Kühlung gering gehalten wird, da nur die ausgewählten Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung selektiv besonders effizient gekühlt werden müssen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine direkte Kühlung der ausgewählten Energiespeicherzellen möglich wird, die mit Standardströmen der anderen Energiespeichermodule betrieben werden kann, so dass die zu kühlenden Zellen sich nicht durch zusätzlich geforderte Leistung mehr erwärmen.
Überdies kann die bauliche Auslegung der Kühlelemente unter Ausnutzung vorhandener Komponenten kostengünstig gestaltet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung umfassen die Kühlelemente Peltierelemente oder thermoelektrische Generatoren. Diese können vorteilhafterweise direkt in die Energiespeicherzellgehäuse integriert werden, so dass eine besonders schnelle und leistungsstarke Kühlung ausgewählter Energiespeichermodule möglich wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Kühlelemente mit dem Energiespeicherzellenmodul der zweiten Energiespeichermodule gekoppelt sein und durch die Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichermodule mit elektrischer Energie versorgt werden. Dadurch ist eine rasche und einfache Zuschaltung der Kühlelemente gewährleistet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Kühlelemente mit einem Energiespeicherzellenmodul mindestens eines ersten Energiespeichermoduls gekoppelt sind und durch die Energiespeicherzellen des mindestens eines ersten Energiespeichermoduls mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise eine Energieversorgung der Kühlelemente durch andere Energiespeichermodule als die zu kühlenden, so dass der Wirkungsgrad der Kühlung höher ist.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Kühlelemente durch die ersten Energiespeichermodule mit elektrischer Energie versorgt werden, wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule den zweiten Temperaturschwellwert nicht überschreitet. Außerdem können die Kühlelemente durch die zweiten Energiespeichermodule mit elektrischer Energie versorgt werden, wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule den zweiten Temperaturschwellwert überschreitet. Dies ermöglicht es, dedizierte Notlaufmodule für den Notlaufbetrieb einer elektrischen Maschine zu bestimmen, bei denen eine Überhitzung durch eine effiziente Kühlstrategie so lange wie möglich hinausgezögert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin der Schritt des Abschaltens der zweiten Energiespeichermodule erfolgen, wenn die erfasste Temperatur für die zweiten Energiespeichermodule den zweiten Temperaturschwellwert überschreitet. Dies beendet den Notlaufbetrieb einer elektrischen Maschine und verhindert, dass auch die extra gekühlten Energiespeichermodule Schaden nehmen.
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 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines ersten Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines ersten Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines zweiten Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines zweiten Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Systems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein System 100 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bzw. 13 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 100 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in einem Energieversorgungsstrang bzw. Energieversorgungszweig Z in Serie geschaltet sind. Der Energieversorgungsstrang ist zwischen zwei Ausgangsanschlüsse 1a und 1b der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, die jeweils an einen Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt sind. Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 6 verwendet wird.
Dazu ist die Energiespeichereinrichtung 1 über eine Koppelinduktivität 2a mit dem Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt. Die Koppelinduktivität 2a kann beispielsweise eine gezielt zwischen den Gleichspannungszwischenkreis 2b und den Ausgangsanschluss 1a der Energiespeichereinrichtung 1 geschaltete induktive Drossel sein. Alternativ kann es auch möglich sein, dass die Koppelinduktivität 2a durch ohnehin vorhandene parasitäre Induktivitäten in der Verschaltung zwischen Energiespeichereinrichtung 1 und Gleichspannungszwischenkreis 2b gebildet wird.
Der Gleichspannungszwischenkreis 2b speist einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 2b eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt.
Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 8 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b bereitzustellen. Zudem kann die Steuereinrichtung 8 dazu ausgelegt sein, bei einem Laden der Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung 1 die jeweiligen Koppelelemente bzw. aktiven Schaltelemente der Energiespeichereinrichtung 1 anzusteuern.
Der Energieversorgungsstrang der Energiespeichereinrichtung 1 weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 und 13 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 und 13 in 1 vier, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 und 13 ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule 3 und 13 umfassen dabei eine erste Gruppe von Energiespeichermodulen 3 und eine zweite Gruppe von Energiespeichermodulen 13. Die Anzahl der Energiespeichermodule pro Gruppe kann dabei frei gewählt werden. Da die Energiespeichermodule 3 und 13 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Modulausgangsspannungen der ersten und zweiten Energiespeichermodule 3 bzw. 13 zu der Gesamtausgangsspannung, welche an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt wird.
Die ersten Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Modulausgangsspannung der ersten Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Zwei beispielhafte Aufbauformen der ersten Energiespeichermodule 3 sind in den 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die ersten Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a, 7c sowie 7b und 7d. Die ersten 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 Zellen 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen oder -Akkumulatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den in 2 und 3 gezeigten ersten Energiespeichermodulen 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist. Die Energiespeicherzellenmodule 5 weisen eine Klemmenspannung von U_M auf und sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. An den Eingangsklemmen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 liegt also die Spannung U_M an.
In 2 bilden die in Reihe geschalteten Koppelelemente 7a und 7c, deren Mittelabgriff mit der Ausgangsklemmen 3a verbunden ist, den so genannten linken Zweig der Vollbrücke und es bilden die in Reihe geschalteten Koppelelemente 7b und 7d, deren Mittelabgriff mit der Ausgangsklemme 3b verbunden ist, den so genannten rechten Zweig der Vollbrücke. Die Koppeleinrichtung 7 ist in 2 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 ausgebildet sind, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen.
Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mit Hilfe der in 1 dargestellten Steuereinrichtung 8, 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. In diesem Fall liegt zwischen den Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung U_M an. 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 beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schalter der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden. In beiden Überbrückungszuständen liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung 0 an. Ebenso kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 geschaltet werden, indem die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung –U_M an.
Die ersten Energiespeichermodule 3 weisen zudem Versorgungsanschlüsse 3c und 3d auf, die mit dem Energiespeicherzellenmodul 5 gekoppelt sind und an welchen zusätzlich eine Versorgungsspannung der ersten Energiespeichermodule 3 abgegriffen werden kann, wie weiter unten genauer erläutert.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltungsform für ein erstes Energiespeichermodul 3. Dabei umfasst die Koppeleinrichtung 7 nur die Koppelelemente 7a und 7c, die als Halbbrückenschaltung das Energiespeicherzellenmodul 5 entweder in einen Überbrückungszustand oder einen Schaltzustand in Vorwärtsrichtung in den Energieversorgungsstrang Z geschaltet werden können. Im Übrigen gelten ähnliche Ansteuerregeln wie im Zusammenhang mit 3 für das dort gezeigte Energiespeichermodul 3 in Vollbrückenschaltung erläutert.
In den 4 und 5 sind schematische Darstellungen von zwei beispielhaften Aufbauformen der zweiten Energiespeichermodule 13 in größerem Detail gezeigt. Die zweiten Energiespeichermodule 13 weisen im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die ersten Energiespeichermodule 3 auf, und unterscheiden sich von den ersten Energiespeichermodulen 3 nur dahingehen, dass zwischen die Versorgungsanschlüsse 13c und 13 ein Kühlelement 9 gekoppelt ist, welches durch das Energiespeicherzellenmodul 5 mit elektrischer Energie gespeist werden kann. Zur selektiven Aktivierung bzw. Deaktivierung des Kühlelements 9 ist eine Schalteinrichtung 9a vorgesehen, mit welcher das Kühlelement 9 von der Spannungsversorgung getrennt werden kann.
Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der ersten und zweiten Energiespeichermodule 3 und 13 gezielt in die Reihenschaltung des Energieversorgungsstrangs Z integriert werden. Dadurch kann durch eine gezielte Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7 zum selektiven Schalten der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 bzw. 13 in den Energieversorgungsstrang Z eine Gesamtausgangsspannung bereitgestellt werden, die von den einzelnen Ausgangsspannungen der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 bzw. 13 abhängig ist. Die Gesamtausgangsspannung kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 bzw. 13 skaliert. Bei einer Anzahl von n ersten und zweiten Energiespeichermodulen 3 und 13 kann die Gesamt-Ausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs Z in 2n + 1 Stufen zwischen –n·U_M, ..., 0, ..., +n·U_M eingestellt werden.
6 zeigt ein weiteres System 200 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 200 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 10 mit Energiespeichermodulen 3 und 13, welche in Energieversorgungszweigen Z1, Z2, Z3 in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 6 drei Energieversorgungszweige Z1, Z2 und Z3 gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 10 verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss 10a, 10b, 10c, welche jeweils an Phasenleitungen 12a, 12b bzw. 12c angeschlossen sind, die die Energiespeichereinrichtung 10 mit einer elektrischen Maschine 12 koppeln. Beispielhaft dient das System 200 in 6 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 12. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 10 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 12 verwendet wird.
Das System 200 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 16 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 10 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 10 gesteuert werden kann, um die gewünschten Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 10a, 10b, 10c bereitzustellen. Die Energieversorgungszweige Z1, Z2 und Z3 können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 14 (Bezugsschiene) verbunden werden. Diese kann in Bezug auf die Phasenleitungen 12a, 12b, 12c der elektrischen Maschine 12 ein mittleres Potential führen und beispielsweise mit einem Massepotential verbunden werden.
Ähnlich wie in 1 gezeigt, weist jeder der Energieversorgungszweige Z1, Z2 und Z3 weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 bzw. 13 auf, wobei eine erste Gruppe von Energiespeichermodulen 3 und eine zweite Gruppe von Energiespeichermodulen 13 vorgesehen. Ausführungsbeispiele für die ersten bzw. zweiten Energiespeichermodule 3 bzw. 13 sind in den 2 bis 5 bereits erläutert worden. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 und 13 pro Energieversorgungszweig in 1 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige Z1, Z2 und Z3 die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig Z1, Z2 und Z3 eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen.
In den Systemen 100 und 200 können die zweiten Energiespeichermodule 13 jeweils als Notlaufmodule für den Notlaufbetrieb der elektrischen Maschine 6 bzw. 12 dienen, insbesondere für einen Notlaufbetrieb eines elektrischen Antriebssystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Dazu können die zweiten Energiespeichermodule 13 durch die Ausrüstung mit Kühlelementen 9 unter Verwendung einer gesonderten Kühlstrategie angesteuert werden. Bei einer Überhitzung oder einer drohenden Überhitzung der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. 10 können die zweiten Energiespeichermodule 13 dadurch auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden als die ersten Energiespeichermodule 3, so dass eine Komplettabschaltung des Systems 100 bzw. 200 aus Sicherheitsgründen entweder ganz vermieden oder zumindest hinausgezögert werden kann.
Das Kühlelemente 9 können beispielsweise Peltier-Elemente oder thermoelektrische Generatoren sein. Zum Beispiel können die Kühlelemente 9 direkt in oder an den Zellwickeln der Energiespeicherzellen 5a bis 5k angeordnet werden, um eine direkte und unmittelbare Kühlung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k zu erreichen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Kühlelemente 9 in das Gehäuse der Energiespeichermodule 13 integriert sind, um Wärme aus dem Gehäuse herauszuleiten.
Die Kühlelemente 9 bzw. der Betrieb der Kühlelemente 9 kann beispielsweise durch die Steuereinrichtungen 8 und 16 gesteuert werden, die dadurch als Kühlsteuereinrichtung 8 bzw. 16 fungiert. Insbesondere können die Kühlsteuereinrichtungen 8 bzw. 16 die Temperatur in oder an den Energiespeichermodulen 3 bzw. 13 erfassen, beispielsweise unter Verwendung von (in den 1 und 6 nicht explizit gezeigten) Temperatursensoren. Die Kühlsteuereinrichtungen 8 bzw. 16 sind dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur die Kühlelemente 9 bzw. die Schalteinrichtungen 9a anzusteuern.
Zur Spannungsversorgung der Kühlelemente 9 kann es vorgesehen sein, die Kühlelemente 9 durch das Energiespeicherzellenmodul 5 des dem jeweiligen Kühlelement 9 zugeordneten zweiten Energiespeichermodul 13 mit elektrischer Energie zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann es auch vorgesehen sein, die Kühlelemente 9 durch erste Energiespeichermodule 3 mit elektrischer Energie zu versorgen. Dazu können die Versorgungsanschlüsse 3c, 3d einer frei wählbaren Anzahl der ersten Energiespeichermodule 3 mit den Versorgungsanschlüssen 13c, 13d der zweiten Energiespeichermodule 13 schaltbar verbunden werden. Insbesondere können dadurch die Energiespeicherzellenmodule 5 der ersten Energiespeichermodule 3 die Spannungsversorgung der Kühlelemente 9 der zweiten Energiespeichermodule 13 übernehmen.
Auf die jeweiligen Gruppen von zweiten Energiespeichermodulen 13 kann dabei zurückgegriffen werden, wenn sich die an die Energiespeichereinrichtung 1 bzw. 10 angeschlossene elektrische Maschine 6 bzw. 12 in einem bestimmten Betriebsmodus, beispielsweise in einem Notlaufmodus. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass zur Erzeugung der Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. 10 nur auf die Energiespeicherzellenmodule 5 der Gruppen von zweiten Energiespeichermodulen 13 zurückgegriffen wird.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 20 zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 1 oder 10, wie in den 1 bis 6 erläutert. Mit dem Verfahren 20 kann eine Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. für die Spannungsversorgung einer elektrischen Maschine 6 bzw. 12 bereitgestellt werden. In einem ersten Schritt 21 wird die Temperatur der Energiespeicherzellen 5a, 5k der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. 10 erfasst. Für jedes der Energiespeichermodule 3 bzw. 13 kann eine separate Temperaturerfassung vorgenommen werden. Falls die erfasste Temperatur für die zweiten Energiespeichermodule 13 einen ersten Temperaturschwellwert überschreitet, kann in einem zweiten Schritt ein Kühlen der Energiespeicherzellen 5a, 5k der zweiten Energiespeichermodule 13 mithilfe der Kühlelemente 9 erfolgen. Die Kühlung der zweiten Energiespeichermodule 13 kann dadurch bereits dann einsetzen, wenn sich die Temperatur noch in einem unkritischen Bereich bewegt. Dadurch können die zweiten Energiespeichermodule 13 gegenüber den ersten Energiespeichermodulen 3 auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden, das heißt, deren Überhitzung kann länger hinausgezögert werden.
Die Kühlelemente 9 können durch die ersten Energiespeichermodule 3 mit elektrischer Energie versorgt werden, solange die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule 3 einen zweiten Temperaturschwellwert nicht überschreitet. Der zweite Temperaturschwellwert kann dabei ein kritischer Schwellwert sein, oberhalb dessen es zu einer Schädigung von Komponenten der Energiespeichermodule 3 kommen kann. In einem dritten Schritt 23 kann ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 der zweiten Energiespeichermodule 13 zum Erzeugen der Versorgungsspannung durch die zweiten Energiespeichermodule 13 erfolgen, wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule 3 den zweiten Temperaturschwellwert überschritten hat. Gleichzeitig kann dann ein Schritt 24 des Abschaltens der ersten Energiespeichermodule 3 erfolgen. In diesem Zustand übernehmen die zweiten Energiespeichermodule 13 die Erzeugung der Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. 10. Dieser Zustand kann beispielsweise ein Notbetriebsmodus sein, der zum Beispiel im Zusammenhang mit „Limphome“-Funktionen eines elektrischen Antriebssystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs eingesetzt werden kann.
Die Kühlelemente 9 werden nach dem Abschalten der ersten Energiespeichermodule 3 durch die zweiten Energiespeichermodule 13 mit elektrischer Energie versorgt. Durch das initiale Versorgen der Kühlelemente 9 mit Energie aus den ersten Energiespeichermodulen 3 kann eine zusätzliche Erwärmung der zweiten Energiespeichermodule 13 durch die zusätzliche Belastung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k zur Versorgung der Kühlelemente 9 vermieden werden. Erst wenn die ersten Energiespeichermodule 3 nicht mehr aktiv sind, werden die Kühlelemente 9 durch die jeweils zugeordneten zweiten Energiespeichermodule 13 versorgt. Wenn die erfasste Temperatur auch für die zweiten Energiespeichermodule 13 den zweiten Temperaturschwellwert überschreitet, können diese abgeschaltet werden, so dass die Energiespeichereinrichtung 1 bzw. 10 temporär nicht mehr betriebsfähig ist. Dieser Zeitpunkt kann aber durch die zusätzliche Kühlung mithilfe der Kühlelemente 9 erheblich hinausgezögert werden, so dass die Verfügbarkeit der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. 10 und somit des gesamten Systems 100 bzw. 200 erheblich steigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5642275 A1 [0005]
DE 102010027857 A1 [0006]
DE 102010027861 A1 [0006]

Claims

Energiespeichereinrichtung (1; 10) zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine (2; 12), mit: mindestens einem parallel geschalteten Energieversorgungszweig (Z; Z1, Z2, Z3), welche jeweils eine Vielzahl von in Serie geschalteten ersten und zweiten Energiespeichermodulen (3; 13) aufweisen, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist, und eine Koppeleinrichtung (7), welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z; Z1, Z2, Z3) zu schalten oder zu überbrücken, wobei die zweiten Energiespeichermodule (13) weiterhin jeweils ein Kühlelement (9) für die mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweisen, und wobei das Kühlelement (9) dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) in Abhängigkeit von einem Steuersignal einer Kühlsteuereinrichtung (8; 16) zu kühlen.
Energiespeichereinrichtung (1; 10) nach Anspruch 1, wobei die Kühlelemente (9) Peltierelemente oder thermoelektrische Generatoren umfassen.
Energiespeichereinrichtung (1; 10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Kühlelemente (9) mit dem Energiespeicherzellenmodul (5) der zweiten Energiespeichermodule (13) gekoppelt sind und durch die Energiespeicherzellen (5a, 5k) der zweiten Energiespeichermodule (13) mit elektrischer Energie versorgt werden.
Energiespeichereinrichtung (1; 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kühlelemente (9) mit einem Energiespeicherzellenmodul (5) mindestens eines ersten Energiespeichermoduls (3) gekoppelt sind und durch die Energiespeicherzellen (5a, 5k) des mindestens eines ersten Energiespeichermoduls (13) mit elektrischer Energie versorgt werden.
System (200), mit: einer Energiespeichereinrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche; einer n-phasigen elektrischen Maschine (12), wobei n ≥ 1, deren Phasenleitungen (12a, 12b, 12c) mit Phasenanschlüssen (10a, 10b, 10c) der Energiespeichereinrichtung (10) verbunden sind; und einer Kühlsteuereinrichtung (16), welche dazu ausgelegt ist, Steuersignale für die Ansteuerung der Kühlelemente (9) in Abhängigkeit von der Temperatur der Energiespeichermodule (3; 13) der Energiespeichereinrichtung (10) zu erzeugen.
Verfahren (20) zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung (1; 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den Schritten: Erfassen (21) der Temperatur der Energiespeicherzellen (5a, 5k) der Energiespeichereinrichtung (1; 10); Kühlen (22) der Energiespeicherzellen (5a, 5k) der zweiten Energiespeichermodule (13) jedes Energieversorgungszweigs (Z; Z1, Z2, Z3) mithilfe der Kühlelemente (9), wenn die erfasste Temperatur für die zweiten Energiespeichermodule (13) einen ersten Temperaturschwellwert überschreitet; Ansteuern (23) der Koppeleinrichtungen (7) der zweiten Energiespeichermodule (13) zum Erzeugen der Versorgungsspannung durch die zweiten Energiespeichermodule (13), wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule (3) einen zweiten Temperaturschwellwert überschreitet, der größer als der erste Temperaturschwellwert ist, bei gleichzeitigem Abschalten (24) der ersten Energiespeichermodule (3), wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule (3) den zweiten Temperaturschwellwert überschreitet.
Verfahren (20) nach Anspruch 6, wobei die Kühlelemente (9) durch die ersten Energiespeichermodule (3) mit elektrischer Energie versorgt werden, wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule (3) den zweiten Temperaturschwellwert nicht überschreitet, und wobei die Kühlelemente (9) durch die zweiten Energiespeichermodule (13) mit elektrischer Energie versorgt werden, wenn die erfasste Temperatur für die ersten Energiespeichermodule (3) den zweiten Temperaturschwellwert überschreitet.
Verfahren (20) nach Anspruch 7, weiterhin mit dem Schritt: Abschalten der zweiten Energiespeichermodule (13), wenn die erfasste Temperatur für die zweiten Energiespeichermodule (13) den zweiten Temperaturschwellwert überschreitet.