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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Ladungszustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung mit modularem Batteriesystem.
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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 und Schiffen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
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Die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine wird üblicherweise durch einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters bewerkstelligt. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis wird dabei von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet.
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Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.
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In der Druckschrift
US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen 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 sozusagen in den BDI integriert.
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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. Die Phasenausgangsspannung eines Energiespeichermodulstrangs kann durch entsprechendes Ansteuern der Koppeleinheiten variiert und insbesondere stufig eingestellt werden. Die Stufung der Ausgangsspannung ergibt sich dabei aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls, wobei die maximal mögliche Phasenausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller Energiespeichermodule eines Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.
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Die Druckschriften
DE 10 2010 027 857 A1 und
DE 10 2010 027 861 A1 beispielsweise offenbaren Batteriedirektinverter mit mehreren Batteriemodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind.
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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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Zur Einstellung einer Ausgangsspannung eines Energiespeichermoduls kann eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Ansteuerung der Koppeleinheiten erfolgen. Dadurch ist es möglich, durch gezielte Variation der Ein- bzw. Ausschaltzeiten einen gewünschten Mittelwert als Energiespeichermodulspannung auszugeben.
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Bei einem Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen wie beispielsweise Elektroautos oder Hybridfahrzeugen ist es wünschenswert, genaue Kenntnis über den Ladezustand der Batteriezellen zu besitzen, um eine optimale Ansteuerung des BDI gewährleisten zu können. Für Batteriezellen, welche für eine bestimmte Zeitdauer nicht genutzt werden, kann der Ladezustand recht genau über eine Messung der Ruhespannung – auch Ruheklemmenspannung, Leerlaufspannung oder OCV („Open Circuit Voltage“) genannt – bestimmt werden, da der Zusammenhang zwischen Ruhespannung und Ladezustand, insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren genau bekannt ist.
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Im Betrieb von Batteriezellen, beispielsweise bei einem Dauerbetrieb in einem elektrischen Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, ist es häufig nicht möglich, die Ruhespannung direkt zu bestimmen. Daher wird in diesen Fällen auf Lade-Entlade-Bilanzverfahren zurückgegriffen, das heißt, es werden Spannung und Strom der Batteriezellen erfasst, um daraus die aus den Batteriezellen entnommene Ladung zu ermitteln. Alternativ kann auch ein aus der Druckschrift
DE 10 2010 050 980 A1 bekanntes Verfahren zur Kalibrierung der Ruhespannungskennlinie während des Betriebs eines elektrischen Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer Methode, bei Batteriesystemen, die sich dauerhaft im Einsatz befinden, den Ladezustand zuverlässig und präzise zu ermitteln.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu umgehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Auswählens eines ersten Teils der Energiespeichermodule eines Energieversorgungszweigs der Energiespeichereinrichtung, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen der nicht ausgewählten Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in den Energieversorgungszweig, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen des ersten Teils der Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in dem Energieversorgungszweig für eine vorbestimmte erste Zeitspanne, und des Erfassens der Ruhespannung der Energiespeicherzellen des ersten Teils der Energiespeichermodule nach Ablauf der vorbestimmten ersten Zeitspanne.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Steuereinrichtung zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Energieversorgungssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung mit einer Vielzahl von in mindestens einem Energieversorgungszweig in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken; und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, in einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung mit in einem oder mehreren Energieversorgungszweigen seriell verschalteten Batteriezellen die Ermittlung der Ruhespannung der einzelnen Batteriezellen auch während des laufenden Betriebs der Energiespeichereinrichtung zu ermöglichen. Dazu wird zur Erzeugung der Ausgangsspannung des oder der Energieversorgungszweige jeweils nur ein Teil der in dem jeweiligen Energieversorgungszweig verfügbaren Energiespeichermodule herangezogen. Der übrige Teil wird zumindest für eine erste vorbestimmte Zeitspanne aus dem Energieversorgungszweig ausgekoppelt, so dass sich nach der ersten vorbestimmten Zeitspanne, in welcher sich die zu messenden Energiespeichermodule in unbelastetem Zustand befinden, die Ruhespannung im übrigen Teil der Energiespeichermodule einstellen kann. Nach Ablauf der ersten vorbestimmten Zeitspanne kann eine präzise und zuverlässige Messung der Ruhespannung der Energiespeichermodule bzw. deren Batteriezellen erfolgen.
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Dies hat den Vorteil, dass die Ruhespannung der Energiespeicherzellen auch im laufenden Betrieb bestimmt werden kann, ohne den Betrieb des elektrischen Energieversorgungssystems, in welchem die Energiespeichereinrichtung eingesetzt wird, zu unterbrechen oder zu beeinträchtigen. Insbesondere bei elektrischen Antriebssystemen land- oder wasserbasierter Fahrzeuge wie Elektroautos oder Schiffen ist dies vorteilhaft.
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Ferner ist es vorteilhafterweise möglich, die Ladezustandsbestimmung über die Ruhespannungsmessung wesentlich präziser und zuverlässiger durchzuführen. Dadurch können aus Sicherheitsgründen vorgehaltene Kapazitätsreserven deutlich kleiner ausfallen, was zu Einsparungen in Kosten und Bauraum führt.
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Überdies besteht der Vorteil, dass keine zusätzlichen Komponenten oder Schaltungsteile notwendig werden. Unter bestimmten Umständen kann auf eine aufwändige Ladezustandsbestimmung über ein Ladebilanz-Verfahren auch komplett verzichtet werden. Die hier beschriebenen Verfahren und Systeme eignen sich sowohl für einen Entlade- als auch einen Ladebetrieb der Energiespeichereinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung ausgelegt sein, wobei n ≥ 1, und n parallel geschaltete Energieversorgungszweige aufweisen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, wobei jeder der n Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Dabei können die Schritte des Verfahrens für jeden der n parallel geschalteten Energieversorgungszweige separat ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die vorbestimmte erste Zeitspanne größer als eine Minute sein. Infolge der Spannungsreserve in den Energieversorgungszweigen kann die vorbestimmte erste Zeitspanne in einem Modul jeweils auch deutlich länger sein, beispielsweise zwischen 10 und 30 Minuten. Je länger die erste Zeitspanne ist, desto genauer kann der tatsächliche Ladezustand aus der gemessenen Ruhespannung ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin nach dem Erfassen der Ruhespannung der Energiespeicherzellen des ersten Teils der Energiespeichermodule die Schritte des Auswählens eines zweiten Teils der Energiespeichermodule eines Energieversorgungszweigs der Energiespeichereinrichtung, wobei die Energiespeichermodule des zweiten Teils zumindest nicht vollständig mit den Energiespeichermodule des ersten Teils übereinstimmen, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen der nicht ausgewählten Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in den Energieversorgungszweig, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen des zweiten Teils der Energiespeichermodule des Energieversorgungszweigs zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule in dem Energieversorgungszweig für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne, und des Erfassens der Ruhespannung der Energiespeicherzellen des zweiten Teils der Energiespeichermodule nach Ablauf der vorbestimmten zweiten Zeitspanne umfassen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass durch ein rollierendes Auswählen verschiedener Energiespeichermodule alle der Energiespeichermodule in mindestens einem Iterationsschritt für die Erfassung der Ruhespannung zur Verfügung stehen, ohne dass die Spannungsversorgung durch den jeweiligen Energieversorgungszweig unterbrochen oder beeinträchtigt wird.
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Dabei kann die vorbestimmte zweite Zeitspanne mit der vorbestimmten ersten Zeitspanne übereinstimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Energiespeicherzellen Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen. Prinzipiell ist das Verfahren für jede Zellchemie geeignet. Durch geeignete Auslegung des Energieversorgungszweigs mit hinreichender Spannungsreserve können auch Energiespeicherzellen verwendet werdem, die lange benötigen, um den Ruhezustand zu erreichen, beispielsweise Blei-Säure-Systeme. Grundsätzlich ist das Verfahren anwendbar, wenn bei den verwendeten Energiespeicherzellen eine Korrelation zwischen Ladezustand und Leerlaufspannung besteht. Besonders bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist die Abklingphase nach Benutzung, bis die Ruhespannung wieder stabilisiert ist, für die Bestimmung des Ladezustands relevant.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems können die Koppeleinrichtungen Koppelelemente in Vollbrückenschaltung umfassen. Alternativ können die Koppeleinrichtungen Koppelelemente in Halbbrückenschaltung umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems können die Energiespeicherzellen Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen.
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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 elektrischen Energieversorgungssystems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach 1;
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3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach 1;
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4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Energieversorgungssystems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Ladungszustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein elektrisches Energieversorgungssystem bzw. Antriebssystem 100 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das Energieversorgungssystem 100 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in mehreren Energieversorgungssträngen bzw. Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Die Energieversorgungszweige Z sind jeweils zwischen zwei Ausgangsanschlüsse 1a und 1b der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, die jeweils an einen Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt sind. Beispielhaft dient das Energieversorgungssystem 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. Alternativ kann die elektrische Maschine 6 auch eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) sein. Es kann dabei auch möglich sein, die Energiespeichereinrichtung 1 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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Dazu ist jeder der Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 über eine Koppelinduktivität 2a mit dem Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt. Die Koppelinduktivitäten 2a können beispielsweise gezielt zwischen den Gleichspannungszwischenkreis 2b und den Ausgangsanschluss 1a der Energiespeichereinrichtung 1 geschaltete induktive Drosseln sein. Alternativ kann es auch möglich sein, dass die Koppelinduktivitäten 2a durch ohnehin vorhandene parasitäre Induktivitäten in der Verschaltung zwischen Energiespeichereinrichtung 1 und Gleichspannungszwischenkreis 2b gebildet werden.
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Der Gleichspannungszwischenkreis 2b speist einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 2b eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt.
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Das Energieversorgungssystem 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.
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Weiterhin kann die Steuereinrichtung 8 dazu ausgelegt sein, die Ruhespannung der einzelnen Energiespeichermodule 3 bzw. deren Energiespeicherzellen zu bestimmen, wie im Folgenden in Bezug auf 5 näher erläutert.
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Die Anzahl der Energieversorgungszweige Z in 1 beträgt beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich ist. Die Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 weisen mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 in 1 vier, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 pro Energieversorgungszweig ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Modulausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Modulausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu der Gesamtausgangsspannung, welche an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b der Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt wird.
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Die Energieversorgungszweige Z können dabei insbesondere mehr Energiespeichermodule 3 aufweisen als für die maximal gewünschte Gesamtausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b der Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 notwendig sind. Dadurch kann auch durch lediglich einen Teil der Energiespeichermodule 3 die maximale Ausgangsspannung bereitgestellt werden, und der übrige Teil der Energiespeichermodule 3 für die Erfassung der Ruhespannung temporär in dem Energieversorgungszweig Z überbrückt werden.
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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.
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Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 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. Ebenso ist es möglich für die Energiespeicherzellen 5a bis 5k Sekundärzellen mit anderer Zellchemie zu verwenden, beispielsweise Blei-Säure-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren oder dergleichen. Weiterhin können für die Energiespeicherzellen 5a bis 5k auch Doppelschicht- oder Superkondensatoren eingesetzt werden.
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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, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 8 in 1, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt bzw. umgangen wird. Beispielsweise kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das Koppelelement 7d rechts unten und das Koppelelement 7a links oben in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen Koppelelemente in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, indem die beiden Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden.
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Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs Z integriert 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 jedes der Energieversorgungszweige Z 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, wie die Steuereinrichtung 8 in 1, vornehmen, 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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Durch den Einsatz einer derartigen Energiespeichereinrichtung 1 ist es möglich, die Koppeleinrichtungen 7 ausgewählter Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in einem der Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte erste Zeitspanne zu überbrücken bzw. zu umgehen. Andere Energiespeichermodule 3 können für diesen Zeitraum zur Spannungsversorgung durch die Energiespeichereinrichtung 1 beitragen. Beispielsweise kann das in 1 mit A gekennzeichnete Energiespeichermodul als erster Teil aller Energiespeichermodule 3 ausgewählt werden und deren Koppeleinrichtung 7 zur Überbrückung bzw. Umgehung in dem Energieversorgungszweig angesteuert werden. Dadurch wird das Energiespeicherzellenmodul 5 außer Betrieb gesetzt und die Energiespeicherzellen 5a bis 5k des Energiespeicherzellenmoduls 5 können während der Ruhephase auf eine stabile Ruhespannung absinken. Nach Ablauf der Ruhephase, das heißt der vorbestimmten ersten Zeitspanne, kann die Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des Energiespeichermoduls A erfasst werden. Aus der derart erfassten Ruhespannung kann präzise und zuverlässig der Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des Energiespeichermoduls A ermittelt werden.
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Während der vorbestimmten ersten Zeitspanne kann beispielsweise das mit B gekennzeichnete Energiespeichermodul, gesteuert durch die Steuereinrichtung 8, in den Energieversorgungszweig Z gekoppelt werden, um den ausfallenden Spannungsbeitrag des Energiespeichermoduls A temporär zu kompensieren. Das Energiespeichermodul B kann dabei beispielsweise als Reservemodul vorgesehen sein, das heißt, dass die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z größer ist als die für die maximal gewünschte Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z erforderliche Anzahl.
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Nach der ersten vorbestimmten Zeitspanne kann dann das Energiespeichermodul A wieder in den Energieversorgungszweig Z eingekoppelt werden und zur Gesamtausgangsspannung beitragen. Stattdessen kann das Energiespeichermodul B in dem Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne überbrückt bzw. umgangen werden, und das Prozedere für das Erfassen der Ruhespannung für das Energiespeichermodul B wiederholt werden.
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Auf diese Weise können sukzessive alle Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z zur Erfassung der Ruhespannung und die daraufhin mögliche präzise Bestimmung des Ladezustands während der jeweiligen Ruhephasen aus dem Energieversorgungszweig Z ausgekoppelt werden. Die Ruhephasen und dabei insbesondere die ersten und zweiten vorbestimmten Zeitspannen können dabei mindestens eine Minute betragen oder auch deutlich länger, zum Beispiel 10 bis 30 Minuten. Generell gilt – je länger die Ruhephasen, desto genauer kann der tatsächliche Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des jeweiligen Energiespeichermoduls aus der gemessenen Ruhespannung bestimmt werden. Die ersten und zweiten vorbestimmten Zeitspannen sind von der verwendeten Zellchemie abhängig. Beispielsweise liegt die notwendige Wartezeit bei Superkondensatoren im Bereich von Millisekunden, während die von Lithium-Ionen-Akkumulatoren im Minutenbereich lieght.
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4 zeigt ein weiteres elektrisches Energieversorgungssystem bzw. Antriebssystem 200 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das Energieversorgungssystem 200 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 4 drei Energieversorgungszweige Z 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 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b, 1c, welche jeweils an Phasenleitungen 6a, 6b bzw. 6c angeschlossen sind, die die Energiespeichereinrichtung 1 mit einer elektrischen Maschine 6 koppeln. Beispielhaft dient das Energieversorgungssystem 200 in 4 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Beispielhaft dient das Energieversorgungssystem 200 in 4 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. Alternativ kann die elektrische Maschine 6 auch eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) sein. Es kann dabei auch möglich sein, die Energiespeichereinrichtung 1 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 4 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
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Das Energieversorgungssystem 200 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 8 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c bereitzustellen.
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Die Energieversorgungszweige Z können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden werden. Diese kann in Bezug auf die Phasenleitungen 6a, 6b, 6c der elektrischen Maschine 6 ein mittleres Potential führen und beispielsweise mit einem Massepotential verbunden werden. Jeder der Energieversorgungszweige Z weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig in 4 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist.
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Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige Z die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig Z eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Die Energiespeichermodule 3 können dabei den im Zusammenhang mit den 2 und 3 gezeigten Energiespeichermodulen entsprechen.
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Für das elektrische Energieversorgungssystem 200 in 4 gelten mit Bezug auf das Ermitteln der Ruhespannungen der Energiespeicherzellen 5a bis 5k der jeweiligen Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungszweige Z analoge Erwägungen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Bestimmen des Ladezustands von Energiespeicherzellen einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise von Energiespeicherzellen 5a bis 5k der Energiespeichereinrichtungen 1 wie in den 1 bis 4 beschrieben. Das Verfahren 10 eignet sich insbesondere für den Einsatz in elektrisch betriebenen Land- oder Wasserfahrzeugen, welche einen Elektromotor als elektrische Maschine 6 aufweisen. In derartigen Fahrzeugen eingesetzte Energiespeichereinrichtungen 1 müssen häufig in einem Dauerbetrieb arbeiten, um den Antrieb für das Fahrzeug zu gewährleisten und können daher für die konventionelle Bestimmung des Ladezustands ihrer Energiespeicherzellen nicht ohne weiteres außer Betrieb gesetzt werden.
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Das Verfahren 10 kann als ersten Schritt 11 ein Auswählen eines ersten Teils der Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z der Energiespeichereinrichtung 1 aufweisen. Die nicht ausgewählten Energiespeichermodule 3 des Energieversorgungszweigs Z, das heißt die übrigen nicht zum ausgewählten ersten Teil gehörigen Energiespeichermodule 3, können über ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 in einem zweiten Schritt 12 zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in den Energieversorgungszweig Z herangezogen werden. In einem dritten Schritt 13 erfolgt ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 des ersten Teils der Energiespeichermodule 3 des Energieversorgungszweigs Z zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in dem Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte erste Zeitspanne.
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Während dieser vorbestimmten ersten Zeitspanne, welche beispielsweise länger als eine Minute betragen kann, stabilisiert sich die Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k auf einen Wert, auf dessen Basis der Ladezustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k präzise und zuverlässig bestimmt werden kann. Dieses Erfassen der Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des ersten Teils der Energiespeichermodule 3 kann in einem Schritt 14 nach Ablauf der vorbestimmten ersten Zeitspanne erfolgen.
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Die Schritte des Verfahrens 10 können im Falle der Anwendung für ein elektrisches Antriebssystem 200 wie in 4 gezeigt für jeden der n parallel geschalteten Energieversorgungszweige Z separat ausgeführt werden. Weiterhin kann nach dem Erfassen der Ruhespannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k des ersten Teils der Energiespeichermodule 3, ein Auswählen eines zweiten Teils der Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen. Dabei stimmen die Energiespeichermodule 3 des zweiten Teils zumindest nicht vollständig mit den Energiespeichermodulen 3 des ersten Teils überein.
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Danach kann wiederum ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 der nicht ausgewählten Energiespeichermodule 3 des Energieversorgungszweigs Z zum Schalten der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in den Energieversorgungszweig Z, und ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 des zweiten Teils der Energiespeichermodule 3 des Energieversorgungszweigs Z zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzellenmodule 5 in dem Energieversorgungszweig Z für eine vorbestimmte zweite Zeitspanne erfolgen, so dass ein Erfassen der Ruhespannung der Energiespeicherzellen des zweiten Teils der Energiespeichermodule 3 nach Ablauf der vorbestimmten zweiten Zeitspanne möglich wird. Die vorbestimmte zweite Zeitspanne kann dabei bespielsweise mit der vorbestimmten ersten Zeitspanne übereinstimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5642275 A1 [0005]
- DE 102010027857 A1 [0007]
- DE 102010027861 A1 [0007]
- DE 102010050980 A1 [0011]
