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Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen des Ausgangsstroms einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere für Batteriekonverterschaltungen zur Spannungsversorgung als variable Stromquelle auftretender Lasten wie beispielsweise elektrischer Maschinen in Antriebssystemen elektrisch betriebener Wasser- oder Landfahrzeuge.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
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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.
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Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.
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Die Druckschriften
DE 10 2010 027 857 A1 und
DE 10 2010 027 861 A1 offenbaren 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.
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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.
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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. 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.
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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. Aufgrund intrinsischer komplexer Widerstände der Energiespeichermodule und ihrer Komponenten wirkt die Energiespeichereinrichtung mit einem nachgeschalteten Zwischenkreiskondensator als Resonanzkreis. Die Resonanzfrequenz dieses Resonanzkreises kann mit der je nach Spannungsbedarf unterschiedlichen Anzahl und Taktrate der zugeschalteten Energiespeichermodule variieren. Dies bedeutet, dass bei einer Kopplung der Energiespeichereinrichtung an eine als variable Stromquelle agierende Last, wie beispielsweise einen Inverter und eine dem Inverter nachgeschaltete elektrische Maschine, unerwünschte Resonanzen auftreten können.
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Es besteht daher ein Bedarf an Maßnahmen, mit denen das Auftreten derartiger Resonanzen bzw. Stromschwankungen bei der Kopplung eines BDC an einen Zwischenkreiskondensator zur Speisung einer als variable Stromquelle agierenden Last vermindert oder unterdrückt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform eine Dämpfungsschaltung für eine Energiespeichereinrichtung, welche ein oder mehrere in einem Energieversorgungsstrang in Reihe geschaltete Energiespeichermodule mit mindestens einer Energiespeicherzelle und einer Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, aufweist. Die Dämpfungsschaltung umfasst eine Stromerfassungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen Ausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung zu erfassen und ein von dem Ausgangsstrom abhängiges Ausgangsstromsignal zu erzeugen, eine Regelschaltung, welche mit der Stromerfassungseinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, das Ausgangsstromsignal auf ein Sollstromsignal zu regeln und ein entsprechendes Stromregelsignal auszugeben, und einer Pulsbreitenmodulationseinrichtung, welche mit der Regelschaltung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Stromregelsignal die Koppeleinrichtung mindestens eines der Energiespeichermodule getaktet anzusteuern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer Energiespeichereinrichtung, welche ein oder mehrere in einem oder mehreren Energieversorgungssträngen in Reihe geschaltete Energiespeichermodule mit mindestens einer Energiespeicherzelle und einer Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, aufweist, und einer erfindungsgemäßen Dämpfungsschaltung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen des Ausgangsstroms einer Energiespeichereinrichtung, welche ein oder mehrere in einem oder mehreren Energieversorgungssträngen in Reihe geschaltete Energiespeichermodule mit mindestens einer Energiespeicherzelle und einer Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erfassens eines Ausgangsstroms der Energieversorgungsstränge oder der Energiespeichereinrichtung, des Erzeugens eines von dem erfassten Ausgangsstrom abhängigen Ausgangsstromsignals, des Regelns des Ausgangsstromsignals auf ein Sollstromsignal, des Ausgebens eines der Regelung entsprechenden Stromregelsignals, und des getakteten Ansteuerns der Koppeleinrichtung mindestens eines Energiespeichermoduls zum Erzeugen eines Ausgleichsstroms, welcher Schwankungen in dem Ausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung ausgleicht.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ausgangsstrom einer Energiespeichereinrichtung mit modular aufgebauten Energieversorgungssträngen aus einer Serienschaltung von Energiespeichermodulen mit einem Ausgleichsstrom zu überlagern, so dass Resonanzen aufgrund von Stromschwankungen einer durch die Energiespeichereinrichtung gespeisten variablen Stromquelle gedämpft werden. Dabei werden Ausgangsströme der Energiespeichereinrichtung erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Ausgangsströme bzw. der Schwankungen in den Ausgangsströmen aktiv Ausgleichsströme in der Energiespeichereinrichtung selbst erzeugt. Dazu kann mindestens eines der Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung herangezogen werden, welches in einem pulsbreitenmodulierten Ansteuerbetrieb betrieben wird, um die Ausgleichsströme zu realisieren. Die in ihrer Amplitude flexibel angepassten Ausgleichsströme dienen dabei der aktiven Dämpfung möglicher Resonanzen.
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Durch diese Dämpfung können Bordnetzresonanzen ohne zusätzliche Verluste im Leistungspfad gedämpft werden. Durch die Selbstregelung über die Stromfeedbackschleife ist es vorteilhafterweise möglich, die Dämpfung an die Lage der Resonanzfrequenz und die Güte des Resonanzkreises anzupassen, unabhängig von dem momentanen Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung. Insbesondere ist kein Ausmessen der Resonanzfrequenz der Energiespeichereinrichtung mehr notwendig. Auch an Änderungen, die beispielsweise aufgrund von Alterung oder Änderungen der Systemtopologie, zum Beispiel durch längere Hochspannungsleitungen, während des Betriebsdauer der Energiespeichereinrichtung auftreten können, werden durch die Dämpfungsschaltung flexibel und automatisch ausgeglichen.
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Durch die aktive Regelung kann in vorteilhafter Weise ein Dämpfungsgrad durch einen einstellbaren Frequenzbereich gewählt werden. Die Auslegung und Regelparameter der Dämpfungsschaltung sind dabei unabhängig vom Momentanwert eines an die Energiespeichereinrichtung angeschlossenen Zwischenkreiskondensators.
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Die Dämpfungsschaltung kann vorteilhafterweise in einem konventionellen Bordnetz eingesetzt werden. Zudem können bereits vorhandene Komponenten, wie beispielsweise eines der Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung, in der Ausgestaltung der Dämpfungsschaltung genutzt werden, was zu verringerten Kosten, verringertem Aufwand und reduziertem Bauraumbedarf führt. Außerdem kann in vorteilhafter Weise auf die Stromversorgung eines die Ausgleichsströme produzierenden Bauteils verzichtet, da dieses Bauteil bereits in der Energiespeichereinrichtung integriert und damit durch diese selbst inhärent mit Energie versorgt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsschaltung kann die Dämpfungsschaltung weiterhin einen Bandpassfilter umfassen, welcher zwischen die Stromerfassungseinrichtung und die Regelschaltung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, Frequenzanteile des Ausgangsstromsignals außerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereichs zu filtern. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine bedarfsgerechte Dämpfung im kritischen Resonanzfrequenzbereich, so dass in unkritischen Bereichen keine Dämpfung und damit kein unnötiger Ressourcenverbrauch erfolgt. Insbesondere in Frequenzbereichen, in denen ansonsten große Leistungen zum aktiven Dämpfen aufgebracht werden müssten, eine Dämpfung der Stromwelligkeit aber gar nicht unbedingt notwendig ist, kann dies zu einer Effizienzsteigerung der Dämpfungsschaltung führen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsschaltung kann die Pulsbreitenmodulationseinrichtung dazu ausgelegt sein, die Koppeleinrichtung des mindestens einen Energiespeichermoduls so anzusteuern, dass das mindestens eine Energiespeichermodul einen Ausgleichsstrom erzeugt, welcher Schwankungen in dem Ausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung ausgleicht. Dies ermöglicht eine hohe Kompatibilität, da keine Ansteuersignale erforderlich werden, die von der Art nicht ohnehin bereits zur Ansteuerung der Energiespeichereinrichtung eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsschaltung kann die Regelschaltung ein Summierglied, welches das Ausgangsstromsignal von dem Sollstromsignal subtrahiert, und einen Stromregler aufweisen, welcher das Stromregelsignal in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Summierglieds erzeugt.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis aufweisen, welcher mit Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist. Vorteilhafterweise 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. Dies ist besonders vorteilhaft, da das System aus Inverter und elektrischer Maschine als variable Stromquelle über den Gleichspannungszwischenkreis Ströme mit frequenzabhängigen Schwankungen in die Energiespeichereinrichtung zurückspeisen kann. Diese frequenzabhängigen Schwankungen können über die Dämpfungsschaltung besonders gut abgedämpft werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Dämpfungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Dämpfen von Schwingungen des Ausgangsstroms einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein System, welches eine Energiespeichereinrichtung 10 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung durch in einem Energieversorgungsstrang in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 zwischen zwei Ausgangsanschlüssen 1a, 1b der Energiespeichereinrichtung 10 umfasst. Die Energiespeichereinrichtung 10 kann alternativ auch mehrere parallel geschaltete Energieversorgungsstränge aufweisen. Die Energiespeichereinrichtung 10 wirkt aufgrund der Ansteuerung der Energiespeichermodule 3 als Stromquelle variablen Ausgangsstroms.
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Die Energiespeichereinrichtung 10 kann dabei über eine Speicherinduktivität 2a an dem Ausgangsanschluss 1a der Energiespeichereinrichtung 10 mit einen Eingangsanschluss eines Gleichspannungszwischenkreises 9a gekoppelt sein. Die Speicherinduktivität 2a kann beispielsweise durch ein konzentriertes Bauelement, wie eine Strombegrenzungsdrossel, oder mehrere verteilte Bauelemente implementiert sein. Alternativ können auch parasitäre Induktivitäten der Energiespeichereinrichtung 10 als Speicherinduktivität 2a eingesetzt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Energiespeichereinrichtung 10 kann der Stromfluss in den Gleichspannungszwischenkreis 9a gesteuert werden. Ist die mittlere Spannung vor der Speicherinduktivität 2a höher als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Gleichspannungszwischenkreis 9a, ist die mittlere Spannung vor der Speicherinduktivität 2a hingegen niedriger als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in die Energiespeichereinrichtung 10. Der maximale Strom wird dabei durch die Speicherinduktivität 2a im Zusammenspiel mit dem Gleichspannungszwischenkreis 9a begrenzt.
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Die Energiespeichereinrichtung 10 weist mindestens zwei in einem Energieversorgungsstrang in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 in 1 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Modulausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Die Modulausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 können sich selektiv zu der Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 10 addieren.
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Eines oder mehrere der Energiespeichermodule 3 können als Energiespeichermodul 30 ausgestaltet sein. Die Energiespeichermodule 30 dienen dabei als interne Erzeugungsmodule für Ausgleichsströme in der Energiespeichereinrichtung 10, wie im Folgenden detailliert erläutert.
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Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a und 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a, 5k. Die Energiespeichermodule 30 in 1 können dabei ähnlich wie die Energiespeichermodule 3 aufgebaut sein, mit dem Unterschied, dass die Energiespeichermodule 30 über eine separate Pulsbreitenmodulationseinrichtung 4 ansteuerbar sind.
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Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.
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Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die Koppeleinrichtung 7 ist in 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden auch jeweils in die Halbleiterschalter integriert sein.
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Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d in 2 können derart angesteuert werden, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungsstrangs integriert werden.
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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 UM 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 –UM an.
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Die Gesamtausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 skaliert. Bei einer Anzahl von n ersten und zweiten Energiespeichermodulen 3 kann die Gesamtausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs in 2n + 1 Stufen zwischen –n·UM, ..., 0, ..., + n·UM eingestellt werden.
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3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in 3 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 7 zwei statt vier Koppelelemente aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
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In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
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Mit den Koppelelementen 7a, 7b, 7c, 7d kann die Ausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs über eine geeignete Ansteuerung in Stufen von einem negativen Maximalwert bis hin zu einem positiven Maximalwert variiert werden. Die Abstufung der Spannungslevel ergibt sich hierbei in Abhängigkeit von der Stufung der einzelnen Energiespeicherzellenmodule 5. Um beispielsweise einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der Energiespeicherzellenmodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5k bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann.
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Das System in 1 umfasst neben der Energiespeichereinrichtung 10 weiterhin einen Inverter 12 sowie eine elektrische Maschine 13. Beispielhaft dient das System in 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 13. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz verwendet wird. Alternativ kann die elektrische Maschine 13 auch eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) sein. Es kann dabei auch möglich sein, die Energiespeichereinrichtung 10 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken, Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Systems in 1 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
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Der Gleichspannungszwischenkreis 9a speist in der beispielhaften Ausführungsform in 1 einen Pulswechselrichter 12, welcher aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 9a eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 13 bereitstellt. Es kann jedoch auch jeder andere Wandlertyp für den Inverter 12 verwendet werden, je nach erforderlicher Spannungsversorgung für die elektrische Maschine 13, zum Beispiel einen Gleichspannungswandler. Der Inverter 12 kann beispielsweise in raumzeigermodulierter Pulsbreitenmodulation (SVPWM, „space vector pulse width modulation“) betrieben werden.
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Durch die Ansteuerung des Inverters 12 und die wechselnde Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine 13 wirkt der Verbund aus Inverter und Maschine gegenüber dem Gleichspannungszwischenkreis 9a als variable Stromquelle, die den Schwingkreis aus Energiespeichereinrichtung 10, Speicherinduktivität 2a und Gleichspannungszwischenkreis 9a zu Resonanzen anregen kann. Die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises hängt unter anderem von der Anzahl der zugeschalteten Energiespeichermodule 3, den Momentanwerten der Zwischenkreisspannung und der Energieinhalts der Speicherinduktivität ab. Zudem kann die Resonanzfrequenz längerfristigen Schwankungen unterworfen sein, die beispielsweise von der Bauteiltoleranz, der Alterung der Bauteile, der Temperatur und weiteren Einflüssen abhängig sein kann. Um diese Schwingungen und damit die Welligkeit des Stroms zum Gleichspannungszwischenkreis 9a hin und von diesem weg zu reduzieren, ist es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, die diese Resonanzen bzw. die Stromwelligkeit dämpfen können.
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Dazu ist in dem System in 1 als Teil einer Dämpfungsschaltung eine Stromerfassungseinrichtung 8 vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, einen Ausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung 10 zu erfassen und ein von dem Ausgangsstrom abhängiges Ausgangsstromsignal zu erzeugen. Die Stromerfassungseinrichtung 8 kann beispielsweise einen Stromsensor 8a aufweisen, welcher einen von dem Gleichspannungszwischenkreis 9a in die Energiespeichereinrichtung 10 fließenden Strom oder einen von der Energiespeichereinrichtung 10 in den Gleichspannungszwischenkreis 9a fließenden Strom erfasst.
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Es kann auch möglich sein, die Stromerfassungseinrichtung 8 so auszulegen, dass innerhalb der Energiespeichereinrichtung 10 mit mehreren Energieversorgungssträngen an jedem der Energieversorgungsstränge ein Ausgangsstromsignal erfasst wird. Dadurch kann es möglich sein, jeden der Energieversorgungsstränge separat auszuregeln, insbesondere da jeder der Energieversorgungsstränge mit dem Gleichspannungszwischenkreis 9a einen eigenen Resonanzkreis bildet.
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Das System umfasst weiterhin als Teil der Dämpfungsschaltung eine Regelschaltung 6, welche mit der Stromerfassungseinrichtung 8 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, das Ausgangsstromsignal auf ein Sollstromsignal 6c zu regeln und ein entsprechendes Stromregelsignal auszugeben. Die Regelschaltung 6 kann dazu ein Summierglied 6b aufweisen, welches das Ausgangsstromsignal von dem Sollstromsignal 6c subtrahiert. Mithilfe eines Stromreglers 6a kann das Stromregelsignal in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Summierglieds 6b erzeugt werden. Das Sollstromsignal 6c kann beispielsweise Null betragen. Alternativ kann auch ein beliebiger anderer Wert für das Sollstromsignal 6c vorgegeben werden. Der Stromregler 6a kann beispielsweise ein PI-Regler oder ein PID-Regler sein.
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Das Stromregelsignal kann in eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung 4 eingespeist werden, welche mit der Regelschaltung 6 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Stromregelsignal die Koppeleinrichtung 7 bzw. die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d mindestens eines der Energiespeichermodule 30 getaktet anzusteuern. Dabei können, wie in 1 dargestellt, die dedizierten Energiespeichermodule 30 mit der Pulsbreitenmodulationseinrichtung 4 gekoppelt sein. Alternativ kann es auch möglich sein, dass alle oder mehrere der Energiespeichermodule 3 mit der Pulsbreitenmodulationseinrichtung 4 gekoppelt sind. Die Ansteuerung der Energiespeichermodule 3 kann zyklisch getauscht werden, so dass im zeitlichen Mittel jedes der Energiespeichermodule 3 gleichermaßen zur Erzeugung der Ausgleichsströme beiträgt.
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Die Pulsbreitenmodulationseinrichtung 4 kann im Beispiel in 1 dazu ausgelegt sein, die Koppeleinrichtung 7 des mindestens einen Energiespeichermoduls 30 so anzusteuern, dass das mindestens eine Energiespeichermodul 30 einen Ausgleichsstrom erzeugt, welcher Schwankungen in dem Ausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung 10 ausgleicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Pulsbreitenmodulationseinrichtung 4 bei der Ansteuerung des mindestens einen Energiespeichermoduls 30 weitere Sensorwerte wie beispielsweise die Zwischenkreisspannung im Gleichspannungszwischenkreis 9a oder den Strom im Inverter 12 berücksichtigen.
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Mit der Pulsbreitenmodulationseinrichtung 4 können in vorteilhafter Weise bereits in der Energiespeichereinrichtung 10 vorhandene Baukomponenten genutzt werden, um den Ausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung 10 so zu regeln, dass Rückkopplungen aus der variablen Stromquelle 14 aktiv gedämpft werden.
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Optional kann ein Bandpassfilter 11 vorgesehen sein, welcher zwischen die Stromerfassungseinrichtung 8 und die Regelschaltung 6 gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, Frequenzanteile des Ausgangsstromsignals außerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereichs zu filtern. Dies verhindert zum Beispiel Eingriffe der aktiven Dämpfung in Frequenzbereichen, in denen große Leistungen zum Ausregeln der Stromwelligkeit notwendig wären, eine Reduzierung der Stromwelligkeit jedoch nicht oder nicht in erheblichem Maß erforderlich ist.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 20 zum Dämpfen von Schwingungen des Ausgangsstroms einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 10, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 4 erläutert. Das Verfahren 20 kann dazu beispielsweise eine Dämpfungsschaltung wie in den 1 und 4 dargestellt nutzen.
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Das Verfahren 20 zum Dämpfen von Schwingungen des Ausgangsstroms einer Energiespeichereinrichtung 10, umfasst in einem ersten Schritt 21 ein Erfassen eines Ausgangsstroms der Energiespeichereinrichtung. In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Erzeugen eines von dem erfassten Ausgangsstrom abhängigen Ausgangsstromsignals. In einem dritten Schritt 23 erfolgt ein Regeln des Ausgangsstromsignals auf ein Sollstromsignal. Danach kann in einem vierten Schritt 24 ein Ausgeben eines der Regelung entsprechenden Stromregelsignals erfolgen, worauf aufbauend in einem Schritt 25 ein getaktetes Ansteuern 25 der Koppeleinrichtung 7 mindestens eines Energiespeichermoduls 3 zum Erzeugen eines Ausgleichsstroms, welcher Schwankungen in dem Ausgangsstrom der Energiespeichereinrichtung 10 ausgleicht.
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Das jeweils angesteuerte Energiespeichermodul 3 kann zyklisch getauscht werden, so dass jedes der Energiespeichermodule 3 wechselweise für die Erzeugung des Ausgleichstroms verantwortlich ist. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Auslastung bzw. Belastung der mit der Dämpfungsfunktionalität implementierten Energiespeichermodule 3. Das getaktete Ansteuern der Koppeleinrichtung 7 kann dabei ein Ansteuern der jeweiligen Koppelelemente 7a bis 7d in einem pulsbreitenmodulierten (PWM) Ansteuerbetrieb umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027857 A1 [0005]
- DE 102010027861 A1 [0005]
