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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge besitzen eine Hochvolt-Batterie, deren Energie über eine geeignete Wechselrichterschaltung dem elektrischen Antrieb des Fahrzeugs zugeführt wird. Dabei hat sich insbesondere im Automobilbereich die B6-Brücke für den Wechselrichterbetrieb bewährt. Eine B6-Brücke richtet die Gleichspannung der Hochvolt-Batterie in eine dreiphasige Wechselspannung um. Dabei wird durch hochfrequentes Ansteuern der Schaltelemente innerhalb der B6-Brücke die volle Ausgangsspannung der Hochspannungs-Batterie mittels Zerhacken in die gewünschte Spannung für den elektrischen Antrieb umgerichtet. Die Frequenz für das Ansteuern der B6-Brücke liegt dabei üblicherweise im Bereich von etwa 10 kHz.
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Für Batterieanordnungen mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen sind darüber hinaus weitere Schaltkonzepte möglich. Beispielsweise offenbart
US 2003/0214824 A1 eine kaskadierte H-Brücke.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Multilevel-Inverters mit einer kaskadierten H-Brücke. Jede der Energiespeicherzellen C101 bis C109 kann dabei über die korrespondierenden Schaltelemente T101 bis T136 mit der gewünschten Polarität in den Strompfad individuell integriert werden. Unabhängig davon, ob eine der Zellen C101 bis C109 in den Strompfad integriert ist oder nicht, müssen jeweils pro Energiespeicherzelle C101 bis C109 zwei Halbleiterschaltelemente in dem entsprechenden Strompfad durchflossen werden. Pro Energiespeicherzelle C101 bis C109 sind dabei jeweils vier Halbleiterschaltelemente T101 bis T136 erforderlich.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem effizienten Schaltkonzept für einen Energiespeicher mit einer geringen Anzahl von Schaltelementen. Ferner besteht ein Bedarf nach einem Schaltkonzept für einen Energiespeicher, der eine verbesserte Ansteuerung der einzelnen Energiespeicherzellen erlaubt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichervorrichtung mit einer Mehrzahl von kaskadierbaren Energiespeichermodulen, wobei die Energiespeichermodule jeweils eine Serienschaltung einer Mehrzahl von Energiespeicherelementen umfassen, und jedes Energiespeicherelement eine Energiespeicherzelle, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement umfasst, wobei das erste Schaltelement dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle eines Energiespeicherelements zu umgehen und das zweite Schaltelement dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle in dem Strompfad durch ein Energiespeichermodul zu integrieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung mit den Schritten des Bereitstellens einer Mehrzahl von kaskadierbaren Energiespeichermodulen, wobei die Energiespeichermodule jeweils eine Serienschaltung einer Mehrzahl von Energiespeicherelementen umfassen, und jedes Energiespeicherelement eine oder mehrere Energiespeicherzellen, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement umfasst; des Auswählens mindestens einer Energiespeicherzelle; des Integrierens der mindestens einen ausgewählten Energiespeicherzelle in den Strompfad durch ein Energiespeichermodul; und des Umgehens der nicht ausgewählten Energiespeicherzellen.
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, die einzelnen Energiespeicherzellen zunächst in mehreren Modulen zusammenzufassen und anschließend in einem weiteren Schritt in diesen Modulen eine geeignete Anzahl von Energiespeicherzellen auszuwählen, um zu der gewünschten Ausgangsspannung zu gelangen. Somit können Module, die keinerlei ausgewählte Energiespeicherzellen umfassen, vollständig umgangen werden.
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Ein Vorteil dabei liegt darin, dass durch das Umgehen einzelner Energiespeichermodule weniger Schaltelemente durchflossen werden müssen und sich somit auch die damit verbundenen Verluste verringern.
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Durch die große Flexibilität bei der Auswahl der Energiespeicherzellen wird darüber hinaus eine sehr gleichmäßige Belastung aller Energiespeicherzellen innerhalb der Energiespeichervorrichtung erreicht. Dies ermöglicht es, alle Zellen möglichst gleichmäßig zu laden und entladen. Eine für die Lebenserwartung der Energiespeicherzellen gefährliche Tiefentladung kann somit weitestgehend vermieden werden.
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Darüber hinaus kann durch die gleichmäßige Belastung aller Energiespeicherzellen auch die thermische Belastung aller Zellen und deren Koppelelemente möglichst gleichmäßig verteilt werden. Thermische Überbeanspruchung einzelner Zellen und deren Koppelelemente und damit verbundene frühzeitige Alterung kann ebenfalls vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Energiespeichervorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner eine Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, mindestens ein Energiespeicherelement auszuwählen und die ersten und zweiten Schaltelemente der ausgewählten Energiespeicherelemente anzusteuern. Durch das gezielte Ansteuern der Schaltelemente und die damit verbundene Kaskadierung der ausgewählten Energiespeicherzellen kann eine gewünschte Ausgangsspannung sehr präzise eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wählt die Steuervorrichtung die Energiespeicherelemente basierend auf dem Ladezustand der Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energiespeicherelementen aus. Durch die Berücksichtigung des jeweiligen Ladezustandes der einzelnen Energiespeicherzellen kann eine gleichmäßige Belastung aller Energiespeicherzellen erreicht werden. Eine schädliche Tiefentladung einzelner Zellen kann somit vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wählt die Steuervorrichtung die Energiespeicherzellen basierend auf der thermischen Belastung der jeweiligen Energiespeicherzellen aus. Durch die Berücksichtigung der thermischen Belastung der einzelnen Energiespeicherzellen kann eine übermäßige Erhitzung einzelner Energiespeicherzellen vermieden werden. Somit verringert sich die Gefahr einer frühzeitigen Alterung einzelner, stark belasteter Energiespeicherzellen oder – im schlimmsten Fall – eines thermischen Durchgehens.
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In einer speziellen Ausführungsform ist die Steuervorrichtung ferner dazu ausgelegt, die ersten und zweiten Schaltelemente mindestens eines Energiespeicherelementes plusweitenmoduliert anzusteuern. Durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Schaltelemente kann die zu erzielende Ausgangsspannung noch präziser eingestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst ferner einen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Insbesondere beim Betrieb von Wechselrichtern kann durch das erfindungsgemäße Schaltungskonzept einer Energiespeichervorrichtung besonders effizient die gewünschte Ausgangsspannung bereitgestellt werden.
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Ferner umfasst die vorliegende Erfindung einen Gleichrichter mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Insbesondere beim Betrieb von Gleichrichtern kann durch das erfindungsgemäße Schaltungskonzept die Energiespeichervorrichtung schon bei sehr kleinen Wechselspannungen, das heißt ab einer Wechselspannung, die die Spannung einer einzelnen Zelle (etwa 4 V) übersteigt, aufgeladen werden, ohne dass eine Hochsetzstellung der Wechselspannung notwendig ist. Das Aufladen kann sich dabei danach richten, dass Zellen mit weniger Energieinhalt früher aufgeladen werden als Zellen mit hohem Energieinhalt. Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, das einen erfindungsgemäßen Wechselrichter aufweist. Da insbesondere Elektrofahrzeuge Traktions-Batterien mit einer großen Anzahl von einzelnen Energiespeicherzellen aufweisen, kann durch eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eine sehr effiziente Ansteuerung der elektrischen Antriebe erreicht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in 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 Schaltungsanordnung für einen Multilevel-Inverter mit einer kaskadierten H-Brücke;
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2: eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3: ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die Ausgangsspannung einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4: ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die Ausgangsspannung einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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6: eine schematische Darstellung eines Schaltungskonzepts für ein dreiphasiges Drehstromsystem, welches die Energiespeichervorrichtung gemäß 2 nutzt
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Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen von Elementen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.
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Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Arten von Elementen, die in der Lage sind, über einen vordefinierten Zeitraum elektrische Energie zu speichern und über einen weiteren Zeitraum wieder abzugeben. Elektrische Energiespeicherzellen können beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Kondensatoren, Akkumulatoren auf Basis von Blei, Zink, Natrium, Lithium, Magnesium, Schwefel oder weiteren Metallen, Elementen oder Legierungen umfassen. Eine Energiespeicherzelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei eine einzelne solche Zelle oder auch eine Kombination aus einer Parallel- und/oder Serienschaltung mehrerer Zellen umfassen.
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Als Schaltelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind zunächst alle Arten von Elementen, die in der Lage sind, durch Anlegen eines elektrischen Signals einen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen. Für die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele kommen hierzu bevorzugt Halbleiterschaltelemente in Frage. Solche Halbleiterschaltelemente erfordern keinerlei bewegliche mechanische Bauteile und ermöglichen somit ein verschleißfreies Schalten. Solche Halbleiterschaltelemente sind zu Beispiel MOSFET, bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder ähnliches.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für eine Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Schaltungsanordnung umfasst zwei Energiespeichermodule 10 und 20. Die Beschränkung auf zwei Energiespeichermodule erfolgt dabei einzig aus Gründen der Anschaulichkeit und zum besseren Verständnis. Die Anzahl der Energiespeichermodule kann in den praktischen Anwendungsfällen beliebig erweitert werden. Die einzelnen Energiespeichermodule 10 und 20 sind dabei auf beiden Seiten jeweils über ein Schaltelement M1 bzw. M4 miteinander verbunden. Diese beiden Schaltelemente M1 und M4 ermöglichen dabei eine Kaskadierung der einzelnen Energiespeichermodule 10 und 11. Falls in weiteren Anwendungsfällen mehr als zwei Energiespeichermodule vorhanden sind, so sind auch dabei jeweils benachbarte Energiespeichermodule an beiden Seiten über entsprechende Schaltelemente miteinander verbunden, um somit eine Kaskadierung zu ermöglichen.
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Jedes der Energiespeichermodule 10 und 20 umfasst dabei eine Mehrzahl von Energiespeicherelementen 1–6. Das erste Energiespeichermodul 10 umfasst die Energiespeicherelemente 1–3, und das zweite Energiespeichermodul 20 umfasst die Energiespeicherelemente 4–6. Auch in diesem Fall ist die Begrenzung auf drei Energiespeicherelemente pro Energiespeichermodul nur beispielhaft zu sehen. Ein Energiespeichermodul kann dabei auch deutlich mehr als drei Energiespeicherelemente umfassen. Vorzugsweise umfasst jedes Energiespeichermodul dabei die gleiche Anzahl von Energiespeicherelementen. Grundsätzlich sind jedoch auch Energiespeichermodule mit einer unterschiedlichen Anzahl von Energiespeicherelementen denkbar.
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Jedes der Energiespeicherelemente 1–6 umfasst dabei eine Energiespeicherzelle C1–C6, sowie ein erstes Schaltelement T1a–T6a und ein zweites Schaltelement T1b–T6b. Das erste Schaltelement T1a–T6a ist dabei unmittelbar zwischen den beiden Anschlussseiten eines Energiespeicherelements angeordnet. Durch das Schließen dieses Schaltelements wird das entsprechende Energiespeicherelement somit vollständig überbrückt. Die jeweilige Energiespeicherzelle und das damit in Serie angeordnete zweite Schaltelement werden somit umgangen.
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Ist dagegen das erste Schaltelement T1a–T6a geöffnet und das zweite Schaltelement T1b–T6b geschlossen, so wird die entsprechende Energiespeicherzelle C1–C6 des jeweiligen Energiespeicherelementes in dem Strompfad integriert. In diesem Fall erhöht sich die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung um die Spannung der jeweiligen Energiespeicherzelle C1–C6, die auf diese Weise in den Strompfad integriert wird.
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Neben den Schaltelementen der Energiespeicherelementen und den Schaltelementen M1 und M4 zur Kaskadierung der einzelnen Energiespeichermodule weist die Energiespeichervorrichtung noch zusätzlich vier Schaltelemente M2, M3, M5 und M6 auf, über die die Energiespeichermodule mit den Anschlussklemmen A und B verbunden werden können. Dabei verbindet das Schaltelement M2 den positiven Anschluss des Energiespeichermoduls 20 mit der Anschlussklemme A und das Schaltelement M3 verbindet den negativen Anschluss des Energiespeichermoduls 20 mit der Anschlussklemme A. Darüber hinaus verbindet das Schaltelement M5 den negativen Anschluss des Energiespeichermoduls 10 mit der Anschlussklemme B, und das Schaltelement M6 verbindet den positiven Anschluss des Energiespeichermoduls 10 mit der Anschlussklemme B.
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Alle Schaltelemente, also die ersten und zweiten Schaltelemente der Energiespeicherelemente ebenso wie die Schaltelemente M1 bis M6 werden dabei von der Steuervorrichtung 9 angesteuert. Die Steuervorrichtung 9 wählt dabei in Abhängigkeit von der auszugebenden Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung zwischen den Klemmen A und B eine oder mehrere Energiespeicherelemente 1 bis 6 aus. In diesen ausgewählten Energiespeicherelementen wird daraufhin jeweils das zweite Schaltelement T1b–T6b angesteuert und somit die Energiespeicherzellen C1–C6 der ausgewählten Energiespeicherelemente 1–6 in den Strompfad integriert. Ferner steuert die Steuervorrichtung 9 die ersten Schaltelemente T1a–T6a der nicht ausgewählten Energiespeicherelemente an. Somit werden in den nicht ausgewählten Energiespeicherelementen die Energiespeicherzellen umgangen, also überbrückt. Da in den nicht ausgewählten Energiespeicherelementen jeweils die zweiten Schaltelemente T1b–T6b nicht angesteuert sind, besteht dabei jedoch keine Gefahr eines Kurzschlusses.
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Eine zusätzliche Schutzmaßnahme gegen den Kurzschluss einer Energiespeicherzelle bei falscher Ansteuerung der Schalter einer Zelle wie z.B. gleichzeitiges Einschalten von T1a und T1b kann durch Negation der Ansteuersignale über ein NOT-Gate implementiert werden.
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Bei der Auswahl der Energiespeicherelemente 1–6 kann die Steuervorrichtung 9 dabei beispielsweise den Ladezustand jeder einzelnen Energiespeicherzelle C1–C6 berücksichtigen. Hierzu kann die Steuervorrichtung 9 über zusätzliche Temperatur-, Strom- und Spannungssensoren (nicht dargestellt) die Ladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen dabei basierend auf Messwerten ermitteln. Alternativ ist es auch möglich, dass die Steuervorrichtung 9 die Ladezustände basierend auf einem theoretischen Modell und der Kenntnis der Zeiten über die in der Vergangenheit erfolgte Belastung errechnet. Somit kann der Ladezustand auch ohne zusätzliche Messwerte abgeschätzt werden. Durch die Berücksichtigung des Ladezustandes der einzelnen Energiespeicherzellen kann die Steuervorrichtung 9 jeweils die Energiespeicherelemente 1–6 mit den Energiespeicherzellen C1–C6 auswählen, die über den besten Ladezustand verfügen. Somit kann eine möglichst gleichmäßige Belastung und Entladung aller Energiespeicherzellen erfolgen.
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Ferner kann die Steuervorrichtung 9 bei der Auswahl der einzelnen Energiespeicherelemente 1–6 auch die Temperatur der Energiespeicherzellen C1–C6 berücksichtigen. Auch hierzu kann die Temperatur entweder basierend auf einer theoretischen Modellierung und der Kenntnis über die bisherige Belastung erfolgen. Alternativ können innerhalb der Energiespeichervorrichtung an den einzelnen Energiespeicherelementen 1–6 auch Temperatursensoren angebracht werden. Somit kann eine übermäßige Temperaturerhöhung frühzeitig erkannt werden und die entsprechenden Energiespeicherzellen können daraufhin vorzugsweise solange umgangen werden, bis sich wieder ein normales Temperaturniveau eingestellt hat. Auf diese Weise ist es möglich, alle Energiespeicherzellen möglichst gleichmäßig thermisch zu belasten und somit vorzeitige Alterungserscheinungen aufgrund lokaler Temperaturerhöhungen zu vermeiden.
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Ferner kann die Steuervorrichtung 9 auch einen Defekt einer oder mehrerer Energiespeicherzellen C1–C6 erkennen und daraufhin die entsprechenden Energiespeicherelemente bei der weiteren Ansteuerung umgehen.
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Die erfindungsgemäße Topologie der Modularisierung der Energiespeicherzellen ermöglicht es darüber hinaus, Energiespeichermodule 10 und 20, in denen aktuell keinerlei Energiespeicherzellen C1–C6 ausgewählt wurden, vollständig zu umgehen. Hierzu steuert die Steuervorrichtung 9 die entsprechenden Schaltelemente M1–M6 in geeigneter Weise an. Somit werden bei der Bereitstellung der Ausgangsspannung nur solche Energiespeichermodule 10 und 20 von einem Strom durchflossen, die einen aktiven Beitrag zur Ausgangsspannung liefern. Nicht beteiligte Energiespeichermodule werden vollständig umgangen.
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Im Voraufgegangenen wurde das erfindungsgemäße Prinzip einer Energiespeichervorrichtung mit modular angeordneten Energiespeicherzellen in Bezug auf die Ausgabe einer Spannung, vorzugsweise einer Wechselspannung beschrieben. Darüber hinaus lässt sich das Prinzip ebenso für das Laden der Energiespeicherzellen anwenden. Wird beispielsweise zwischen den Klemmen A und B eine Ladespannung angelegt, die nicht ausreicht, um sämtliche Energiespeicherzellen C1–C6 gleichzeitig zu laden, so kann die Steuervorrichtung 9 auf gleiche Weise einen Teil der Energiespeicherelemente 1–6 auswählen, die entsprechenden Schaltelemente T1a–T6a und T1b–T6b in geeigneter Weise ansteuern und somit nur einen Teil der Energiespeicherzellen laden. Vorzugsweise können dabei gezielt diejenigen Energiespeicherzellen C1–C6 geladen werden, die den geringsten Ladezustand besitzen.
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Weist die Energiespeichervorrichtung darüber hinaus mehr als die dargestellten zwei Energiespeichermodule 10 und 20 auf, so ist es auch möglich, Energie von einem Energiespeichermodul bereitzustellen, um damit Energiespeicherzellen eines anderen Energiespeichermoduls aufzuladen.
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3 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm für den Verlauf der Ausgangsspannung (durchgezogene Linie) im Vergleich zu der Soll-Spannung (gepunktete Linie). Bei einer relativ geringen Anzahl von Energiespeicherelementen kommt es dabei zu einer verhältnismäßig groben Abstufung der Ausgangsspannung. Um die Ausgangsspannung darüber hinaus noch besser an die Soll-Spannung angleichen zu können, kann die Steuervorrichtung 9 die Schaltelemente mindestens eines beteiligten Energiespeicherelementes auch pulsweitenmoduliert ansteuern. Insbesondere wenn nur ein einziges Energiespeicherelement dabei pulsweitenmoduliert angesteuert wird, kann somit eine sehr gute Angleichung der Ausgangsspannung an die Soll-Spannung erzielt werden, da nur ein geringer Teil der Ausgangsspannung pulsweitenmoduliert wird, wie dies in 4 dargestellt ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung. In einem ersten Schritt 110 wird eine Mehrzahl von kaskadierbaren Energiespeichermodulen 10 und 20 bereitgestellt. Dabei umfassen die Energiespeichermodule 10 und 20 jeweils eine Serienschaltung von einer Mehrzahl von Energiespeicherelementen 1–6. Jedes Energiespeicherelement 1–6 umfasst dabei eine Energiespeicherzelle C1–C6, ein erstes Schaltelement T1a–T6a und ein zweites Schaltelement T1b–T6b. In einem weiteren Schritt 120 wird mindestens eine Energiespeicherzelle C1–C6 ausgewählt. Anschließend wird in Schritt 130 die mindestens eine ausgewählte Energiespeicherzelle C1–C6 in einem Strompfad durch ein Energiespeichermodul 10, 20 integriert, und in Schritt 140 werden die nicht ausgewählten Energiespeicherzellen umgangen. Energiespeichermodule in denen aktuell alle Energiespeicherzellen überbrückt werden, können dabei ebenfalls komplett umgangen werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Energiespeichervorrichtung mit einer Vielzahl von einzelnen Energiespeicherzellen. Dabei werden die einzelnen Energiespeicherzellen zunächst zu Gruppen von Energiespeichermodulen zusammengefasst. Einzelne Energiespeichermodule können dabei vollständig aus dem Strompfad der Energiespeichervorrichtung herausgenommen werden, um somit die Verluste in den stromdurchflossenen Schaltelementen geringer zu halten.
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6 zeigt schließlich eine schematische Darstellung eines Schaltungskonzepts für ein dreiphasiges Drehstromsystem, welches die Energiespeichervorrichtung gemäß 2 nutzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0214824 A1 [0003]
