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Die Erfindung betrifft eine interne Energieversorgung für ein Energiespeichermodul für eine Energiespeichereinrichtung und eine Energiespeichereinrichtung mit einem derartigen Energiespeichermodul, insbesondere in modular aufgebauten Batteriedirektumrichterschaltungen oder Batteriekonverterschaltungen, welche beispielsweise in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge eingesetzt werden.
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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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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.
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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.
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BDCs und 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.
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Die Signal- und Leistungselektronik für die Koppeleinheiten der Batteriezellen kann aus den eigenen Batteriezellen mit Strom versorgt werden. Problematisch kann dabei jedoch beispielsweise während eines Ladevorgangs eine Unterbrechung in der Serienschaltung der Batteriezellen sein, so dass die Signal- und Leistungselektronik nicht mehr mit Strom versorgt wird und damit eine Abschaltung der Koppeleinheiten nicht mehr sichergestellt ist. Eine Möglichkeit zur Abhilfe in diesen Fällen besteht in einer redundanten Energieversorgung der Signal- und Leistungselektronik durch externe Energiequellen. Dies erfordert jedoch zusätzlichen Implementierungsaufwand beim Anschluss der redundanten Energieversorgung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform ein Energiespeichermodul für eine Energiespeichereinrichtung, mit einem Energiespeicherzellenmodul, welches eine Speicherzellenserienschaltung aus mindestens zwei Energiespeicherzellen aufweist, einer Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in einen Energieversorgungsstrang der Energiespeichereinrichtung zu schalten oder in diesem zu umgehen, und einem Treibermodul, welches dazu ausgelegt ist, Treibersignale für die Vielzahl von Koppelelementen zu erzeugen. Dabei weist das Treibermodul einen ersten Energieversorgungsanschluss und einen zweiten Energieversorgungsanschluss auf. Der erste Energieversorgungsanschluss ist über eine erste Versorgungsleitung mit einem ersten Endanschluss des Energiespeicherzellenmoduls und über eine zweite Versorgungsleitung mit einem ersten Knotenpunkt zwischen zwei Energiespeicherzellen der Speicherzellenserienschaltung verbunden. Der zweite Energieversorgungsanschluss ist über eine dritte Versorgungsleitung mit einem zweiten Endanschluss des Energiespeicherzellenmoduls und über eine vierte Versorgungsleitung mit einem zweiten Knotenpunkt zwischen zwei Energiespeicherzellen der Speicherzellenserienschaltung verbunden. Der zweite Knotenpunkt liegt dabei zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem ersten Endanschluss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung eine Energiespeichereinrichtung mit mindestens einem Energieversorgungsstrang, welcher zwischen zwei Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, wobei der Energieversorgungsstrang eine Vielzahl von in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Energiespeichermodulen aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, Energiespeichermodule in einer Serienschaltung von Energiespeichermodulen einer Energiespeichereinrichtung mit modular aufgebauten Energieversorgungssträngen mit einer sich aus dem jeweiligen Energiespeichermodul speisenden Treibermodul für die Koppelelemente der Energiespeichermodule auszustatten. Dazu werden jeweils zwei Spannungsabgriffspunkte innerhalb der Serienschaltung der Energiespeicherzellen des Energiespeichermoduls vorgesehen, die jeweils einen Energieversorgungsanschluss des Treibermoduls speisen. Diese Spannungsabgriffspunkte stellen zu den Abgriffspunkten an den Endanschlüssen der Serienschaltung der Energiespeicherzellen alternative Abgriffspunkte dar, so dass in einem Fehlerfall innerhalb der Serienschaltung der Energiespeicherzellen zumindest ein Teil der Energiespeicherzellen noch zur Energieversorgung des Treibermoduls beitragen kann.
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Dies ermöglicht es vorteilhafterweise Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise eine Sicherheitsabschaltung des Energiespeichermoduls, durch das Treibermodul vorzunehmen, obwohl eine Störung in der Serienschaltung der Energiespeicherzellen vorliegt.
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Auf der anderen Seite ist die redundante Spannungsversorgung aus dem Energiespeichermodul selbst gewährleistet, so dass keine weiteren externen spannungsversorgenden Komponenten bereitgestellt werden müssen, was Kosten spart, den Bauraum reduziert und die Effizienz der Energiespeichereinrichtung erhöht. Zudem entfallen als besonderer Vorteil weitere Schaltregler zur Erzeugung der redundanten Versorgung, wodurch wiederum Fertigungsaufwand und Leistungsverluste vermieden werden können.
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Sekundäre Vorteile durch die Ersparnis zusätzlicher redundanter Schaltregler sind die verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die Vermeidung weiterer Spannungsregler, die Vermeidung der Erfordernis einer zusätzlichen Energiequelle und der Entfall der Notwendigkeit, eine etwaige zusätzliche Energiequelle galvanisch von der Energiespeichereinrichtung zu trennen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls können die Koppeleinrichtungen jeweils eine Vielzahl von Koppelelementen in Vollbrückenschaltung aufweisen. Alternativ können die Koppeleinrichtungen jeweils eine Vielzahl von Koppelelementen in Halbbrückenschaltung aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls können die Energiespeicherzellen jeweils Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls kann das Energiespeichermodul eine erste Diode umfassen, welche in der ersten Versorgungsleitung angeordnet ist, und deren Durchlassrichtung von dem ersten Endanschluss zu dem ersten Energieversorgungsanschluss verläuft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls kann das Energiespeichermodul eine zweite Diode aufweisen, welche in der zweiten Versorgungsleitung angeordnet ist, und deren Durchlassrichtung von dem ersten Knotenpunkt zu dem ersten Energieversorgungsanschluss verläuft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls kann das Energiespeichermodul eine dritte Diode umfassen, welche in der vierten Versorgungsleitung angeordnet ist, und deren Durchlassrichtung von dem zweiten Energieversorgungsanschluss zu dem zweiten Knotenpunkt verläuft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls kann das Treibermodul eine zwischen die Energieversorgungsanschlüsse gekoppelte Signalsteuerschaltung und eine parallel zu der Signalsteuerschaltung geschaltete Treiberschaltung aufweisen, wobei die Signalsteuerschaltung dazu ausgelegt ist, die Treiberschaltung zur Erzeugung von Treibersignalen für die Vielzahl von Koppelelementen anzusteuern.
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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 einer Energiespeichereinrichtung 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 einer weiteren Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1 zeigt eine Energiespeichereinrichtung 1 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung durch parallel schaltbare Energieversorgungsstränge 1-, 10b zwischen zwei Ausgangsanschlüssen 4a und 4b der Energiespeichereinrichtung 1. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b weisen jeweils Stranganschlüsse 1a und 1b auf. Die Energiespeichereinrichtung 1 weist hier zwei parallel geschaltete Energieversorgungsstränge 10a, 10b auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energieversorgungsstränge 10a, 10b in 1 zwei, wobei jedoch jede andere größere Anzahl von Energieversorgungsstränge 10a, 10b ebenso möglich ist. Es kann dabei gleichermaßen auch möglich sein, nur einen Energieversorgungsstrang 10a zwischen die Stranganschlüsse 1a und 1b zu schalten, die in diesem Fall die Ausgangsanschlüsse 4a, 4b der Energiespeichereinrichtung 1 bilden.
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Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b können dabei jeweils über Speicherinduktivitäten 2a, 2b mit dem Ausgangsanschluss 4a der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt sein. Die Speicherinduktivitäten 2a, 2b können beispielsweise konzentrierte oder verteilte Bauelemente sein. Alternativ können auch parasitäre Induktivitäten der Energieversorgungsstränge 10a, 10b als Speicherinduktivitäten 2a, 2b eingesetzt werden. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b können über eine Schaltkoppeleinrichtung 2c mit dem Ausgangsanschluss 4 schaltbar gekoppelt sein.
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Im Falle eines einzelnen Energieversorgungsstrangs 10a kann auf die Speicherinduktivitäten 2a bzw. 2b und die Schaltkoppeleinrichtung 2c auch verzichtet werden, so dass der Energieversorgungsstrang 10a direkt zwischen die Ausgangsanschlüsse 4a, 4b der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist.
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Jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungsstrang in 1 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungsstrang 10a, 10b eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann.
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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, 5i, 5j, 5k, 5z.
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Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a, 5i, 5j, 5k, 5z, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft fünf, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a, 5i, 5j, 5k, 5z größer oder gleich zwei ebenso möglich ist.
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Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind mit Eingangsanschlüssen einer 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) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) 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 6 in 1, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt bzw. umgangen wird. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b 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 eine positive Modulspannung 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 Ausgangsklemmen 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 eine negative Modulspannung an.
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Die Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b 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 Gesamt-Ausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs 10a, 10b in 2n + 1 Stufen eingestellt werden.
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Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d eines Energiespeichermoduls 3 können auch 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 5z bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung, wie die Steuereinrichtung 6 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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Das Energiespeicherzellenmodul 5 dient neben der Bereitstellung einer Modulausgangsspannung auch zur Speisung eines Treibermoduls 11 mit Energie aus den Energiespeicherzellen 5a, 5i, 5j, 5k, 5z. Dazu ist das Treibermodul 11 mit Energieversorgungsanschlüssen 11a, 11b jeweils mit Ausgangsanschlüssen 9a, 9b des Energiespeicherzellenmoduls 5 verbunden. Im normalen Betrieb des Energiespeichermoduls liegt zwischen dem Ausgangsanschluss 9a und 9b des Energiespeicherzellenmoduls 5 die Modulausgangsspannung an, die über eine erste Versorgungsleitung 16a und eine dritte Versorgungsleitung 16c an das Treibermodul 11 abgegeben wird.
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Das Treibermodul 11 kann beispielsweise einen Vorstabilisator 12 und einen Stabilisator 13 aufweisen, welche zur Stabilisierung der Versorgungsspannung für das Treibermodul 11 dienen. Der Stabilisator 13 ist dabei mit einer Parallelschaltung aus einer Treiberschaltung 14 und einer Signalsteuerschaltung 15 verbunden. Die Signalsteuerschaltung 15 ist dabei dazu ausgelegt, die Treiberschaltung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Koppelelemente 7a bis 7d der Koppeleinrichtung 7 anzusteuern. Die Signalsteuerschaltung 15 kann beispielsweise einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine feldprogrammierbare Schaltmatrix (FPGA) oder eine andere logische Schaltung aufweisen. Der Vorstabilisator 12 und der Stabilisator 13 können beispielsweise Filterschaltungen oder Transformatorschaltungen aufweisen, die dazu geeignet sind, eine entsprechend angepasste und schwankungsarme Versorgungsspannung für die Treiberschaltung 14 und die Signalsteuerschaltung 15 zu gewährleisten.
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Zusätzlich zu der ersten Versorgungsleitung 16a ist der erste Energieversorgungsanschluss des Treibermoduls 11 über eine zweite Versorgungsleitung 16b mit einem ersten Knotenpunkt zwischen zwei Energiespeicherzellen 5j und 5k der Serienschaltung aus Energiespeicherzellen 5a bis 5z verbunden. Gleichermaßen ist der zweite Energieversorgungsanschluss 11b neben der dritten Versorgungsleitung über eine vierte Versorgungsleitung 16d mit einem zweiten Knotenpunkt zwischen zwei Energiespeicherzellen 5i und 5j der Serienschaltung aus Energiespeicherzellen 5a bis 5z verbunden. Der zweite Knotenpunkt liegt dabei zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem ersten Endanschluss 9a. Mit anderen Worten, die zweite und vierte Versorgungsleitung 16b bzw. 16d dienen als redundante Versorgungsleitungen zu den ersten und dritten Versorgungsleitungen 16a bzw. 16c, wenn in der Serienschaltung aus Energiespeicherzellen 5a bis 5z ein Fehler auftreten sollte, beispielsweise wenn eine der Energiespeicherzellen 5a bis 5z ausfallen sollte.
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Durch die Knotenpunkte wird die Serienschaltung aus Energiespeicherzellen 5a bis 5z jeweils in zwei Abschnitte geteilt, einen unteren und einen oberen Abschnitt. Dadurch, dass der erste Knotenpunkt zwischen dem ersten Endabschluss 9a und dem zweiten Knotenpunkt liegt, weisen die durch die (virtuelle) Teilung gebildeten unteren und oberen Abschnitte jeweils überlappende Bereiche auf, zu denen jeweils die gleichen Energiespeicherzellen gehören. Im Beispiel der 2 wird ein solcher überlappender Bereich durch die Energiespeicherzelle 5j gebildet, die zwischen dem ersten und dem zweiten Knotenpunkt liegt. Der überlappende Bereich kann selbstverständlich auch mehr als eine Energiespeicherzelle 5j aufweisen.
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In den jeweils nicht überlappenden Teilabschnitten der oberen und unteren Abschnitte liegen jeweils disjunkte Gruppen von Energiespeicherzellen. Beispielsweise weist der obere Abschnitt die Energiespeicherzellen 5a bis 5i auf, die von den den unteren Abschnitt bildenden Energiespeicherzellen 5k bis 5z unterschiedlich sind. Die Anzahl der Energiespeicherzellen in den disjunkten Gruppen kann dabei ebenfalls zwischen eins und einer beliebigen, an die jeweiligen Anforderungen angepassten Anzahl von Energiespeicherzellen liegen.
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Die Versorgungsleitungen 16a, 16b, und 16d weisen dabei jeweils eine Diode 17a, 17b bzw. 17d auf. Diese Dioden gewährleisten, dass jeweils die richtige Polarität an den Energieversorgungsanschlüssen 11a, 11b des Treibermoduls 11 anliegen. Dazu ist eine erste Diode 17a in der ersten Versorgungsleitung 16a angeordnet, so dass deren Durchlassrichtung von dem ersten Endanschluss 9a zu dem ersten Energieversorgungsanschluss 11a verläuft. Gleichermaßen ist eine zweite Diode 17b in der zweiten Versorgungsleitung 16b angeordnet, so dass deren Durchlassrichtung von dem ersten Knotenpunkt zu dem ersten Energieversorgungsanschluss 11a verläuft. Schließlich weist die vierte Versorgungsleitung 16d eine dritte Diode 17d auf, deren Durchlassrichtung von dem zweiten Energieversorgungsanschluss 11b zu dem zweiten Knotenpunkt verläuft.
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Im Normalbetrieb, das heißt, ohne Störung oder Defekt in der Speicherzellenserienschaltung, fließt der Versorgungsstrom für das Treibermodul 11 immer über die erste Diode 17a. Tritt jedoch eine Unterbrechung des Strompfades in dem durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5i gebildeten oberen Abschnitt der Speicherzellenserienschaltung auf, wird das Treibermodul 11 über die zweite Diode 17b und die zweite Versorgungsleitung 16b gespeist. Umgekehrt wird das Treibermodul 11 bei einer Unterbrechung des Strompfades in dem durch die Energiespeicherzellen 5k bis 5z gebildeten unteren Abschnitt der Speicherzellenserienschaltung über einen Versorgungsstrom durch die dritte Diode 17d und die vierte Versorgungsleitung 16d gespeist. Bei einer Unterbrechung des Strompfads zwischen den beiden Knotenpunkten, wird das Treibermodul 11 durch denjenigen Abschnitt an Energiespeicherzellen gespeist, welcher die größere Nennspannung aufweist.
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In jedem Fall kann das Treibermodul 11 immer aus zumindest einem Teil der Energiespeicherzellen 5a bis 5z versorgt werden, egal, wo in der Speicherzellenserienschaltung ein Defekt auftritt. Die Erzeugung der Versorgungsspannung kann dabei in konventioneller Weise über einen Wake-up-Mechanismus gestartet 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. Die Treiberschaltung 14 kann dabei eine Gate-Treiberschaltung zur Erzeugung von Gatesignalen für die Leistungshalbleiterschalter darstellen. Dadurch, dass die Treiberschaltung 14 auch im Fehlerfall im Energiespeicherzellenmodul 5 stets mit Energie aus zumindest einem Teil der Energiespeicherzellen 5a bis 5z versorgt wird, können im Fehlerfall die einen Umgehungszustand einstellenden Schalter einer jeweiligen Halbbrücke geöffnet werden, um den Strom an dem Energiespeicherzellenmodul 5 vorbeizuleiten und einer Überlastung des Energiespeicherzellenmoduls 5 bzw. der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d eines Energiespeichermoduls 3 vorzubeugen. Dies kann beispielsweise in einem Ladebetrieb des Energiespeichermoduls 3 vorgenommen werden, um die Gefahr eines Brandes in der Energiespeichereinrichtung 1 bei unkontrolliertem Eintrag von Ladestrom in ein defektes Energiespeicherzellenmodul 5 zu eliminieren.
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4 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 100 mit einer weiteren Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst Energiespeichermodule 3, welche in Energieversorgungssträngen 10a, 10b, 10c in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 4 drei Energieversorgungsstränge 10a, 10b, 10c gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungssträngen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Energieversorgungsstrang über einen Ausgangsanschluss 4d, 4e, 4f.
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Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b, 10c sind an ihrem Ende jeweils mit Ausgangsanschlüssen verbunden, die ihrerseits beispielsweise mit einem Bezugspotential 4 verbunden werden können. Die Energiespeichermodule 3 der Energiespeichereinrichtung 1 in 4 können insbesondere gemäß einer der Ausführungsbeispiele der 2 und 3 ausgestaltet sein, so dass die Energieversorgungsstränge 10a, 10b, 10c modular aus einer Reihenschaltung ähnlicher Energiespeichermodule 3 ausgestaltet werden können. Die Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7 kann ähnlich wie in 1 dabei eine Steuereinrichtung 6 der Energiespeichereinrichtung 1 vornehmen.
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Die Energiespeichereinrichtung 1 weist dabei eine integrierte Wechselrichterfunktionalität auf, so dass die Ausgangsanschlüsse 4d, 4e und 4f direkt mit Phasenleitungen 8a, 8b, 8c der dreiphasigen elektrischen Maschine 8 verbunden werden können. Beispielhaft dient die Energiespeichereinrichtung in 4 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 8 mit jeweiligen Maschinendrosseln 8d, die beispielsweise an einem Sternpunkt miteinander verbunden sind. 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 8 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 Antriebssystems 100 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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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5642275 A1 [0004]
- DE 102010027857 A1 [0005]
- DE 102010027861 A1 [0005]
