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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, ein elektrisches Antriebssystem mit einer Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere zur Energieversorgung von elektrische Maschinen speisenden Wechselrichtern in elektrischen Antriebssystemen.
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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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Die Druckschriften
DE 10 2010 027 857 A1 und
DE 10 2010 027 861 A1 offenbaren modular verschaltete Batteriezellen in Energiespeichereinrichtungen, die über eine geeignete Ansteuerung von Koppeleinheiten selektiv in den Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen zu- oder abgekoppelt werden können. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Battery Direct Converter (Batteriedirektwandler, BDC) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in einem Energiespeichermodulstrang, welche an einen Gleichspannungszwischenkreis zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Netzes über einen Pulswechselrichter anschließbar sind.
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Der Gleichspannungszwischenkreis, über den der BDC an die Gleichspannungsseite des Pulswechselrichters angeschlossen wird, ist mit einem Kondensator gepuffert, um die erforderliche Dynamik der Leistungsabnahme auszugleichen. Bisher werden derartige Kondensatoren als Folienkondensatoren ausgeführt. Diese Kondensatoren sind vergleichsweise teuer.
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Die Druckschrift
US 2007/0060859 A1 schlägt daher ein Verfahren vor, mit dem ein Gleichspannungswandler, der einen Zwischenkreiskondensator speist, mit einem aus dem Zwischenkreiskondensator gespeisten Wechselrichter in der Ansteuerung synchronisiert werden kann. Dadurch sinkt die Stromwelligkeit des dem Zwischenkreiskondensator durch den Wechselrichter entnommenen Stroms. Die Druckschrift
WO 2013/000522 A1 offenbart eine Zwischenkreisanordnung mit mehreren in Reihe geschalteten Kondensatoren, welche selektiv je nach Leistungsentnahme und Zwischenkreisspannung zwischen einen Gleichspannungswandler und einen nachgeschalteten Wechselrichter eingekoppelt werden können.
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Es besteht jedoch ein Bedarf an kostengünstigen, effizienten und mit wenig technischem Implementierungsaufwand herzustellenden Möglichkeiten, Gleichspannungszwischenkreise für Pulswechselrichter insbesondere in mobilen Anwendungen wie Antriebssystemen für elektrisch betriebene Fahrzeuge einzusetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Energiespeichereinrichtung mit Ausgangsanschlüssen zum Erzeugen einer Versorgungsspannung, mindestens einem parallel geschalteten Energieversorgungsstrang mit jeweils einem oder mehreren in dem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle und eine Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungsstrang zu umgehen, umfassen, und einem Gleichspannungszwischenkreis, welcher parallel zu dem mindestens einen Energieversorgungsstrang gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungszwischenkreis einen Elektrolytkondensator aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und einem Wechselrichter, welcher mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, wobei der Wechselrichter dazu ausgelegt ist, die von der Energiespeichereinrichtung ausgegebene Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung umzurichten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems mit einem Wechselrichter, mit den Schritten des Erzeugens einer Gleichspannung durch eine Gleichspannungserzeugungseinrichtung, welche einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Elektrolytkondensator speist, des Ermittelns der Temperatur des Elektrolytkondensators, des Anpassens der durch die Gleichspannungserzeugungseinrichtung ausgegebene Gleichspannung in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur, und des Speisens des Wechselrichters aus dem Elektrolytkondensator.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeichereinrichtung mit einem oder mehreren modular aufgebauten Energieversorgungssträngen aus einer Serienschaltung von Energiespeichermodulen zu verwenden, um selektiv eine Spannung an einem kostengünstig als Elektrolytkondensator ausgeführten Gleichspannungszwischenkreis einzustellen.
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Dadurch wird es möglich, auf die den Umweltbedingungen geschuldeten variierenden Betriebsbedingungen des Elektrolytkondensators Rücksicht zu nehmen. Beispielsweise ist es vorteilhafterweise möglich, bei geringen Temperaturen des Elektrolytkondensators und daraus resultierenden hohen Innenwiderständen des Elektrolytkondensators die Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung zu drosseln, um die Strom- und/oder Spannungsrippel an dem Elektrolytkondensator zu reduzieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann die Energiespeichereinrichtung weiterhin mindestens eine Speicherinduktivität aufweisen, welche zwischen einen der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung und einen der Energieversorgungsstränge gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Stromentnahme aus den Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung, wodurch die Stromrippel an dem Gleichspannungszwischenkreis verringert werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann die Energiespeichereinrichtung weiterhin eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, die Temperatur des Elektrolytkondensators zu bestimmen und die Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule zum Einstellen einer von der der bestimmten Temperatur abhängigen Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung anzusteuern. Dadurch können insbesondere die Stör- bzw. Rippelspannungen bei geringen Temperaturen vermieden werden, welche durch den erhöhten Innenwiderstand des Elektrolytkondensators bedingt sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann die Energiespeichereinrichtung weiterhin ein Heizelement aufweisen, welches dazu ausgelegt ist, den Elektrolytkondensator zu beheizen. Dadurch kann vorteilhafterweise die Zeit, in der die Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung gedrosselt werden muss, reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine elektrische Maschine aufweisen, welche mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, wobei der Wechselrichter dazu ausgelegt ist, die elektrische Maschine mit der- oder mehrphasige Wechselspannung zu speisen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Gleichspannungserzeugungseinrichtung einen Gleichspannungswandler aufweisen. Alternativ dazu kann die Gleichspannungserzeugungseinrichtung aufweisen: Ausgangsanschlüsse zum Erzeugen einer Versorgungsspannung, und mindestens einen parallel geschalteten Energieversorgungsstrang mit jeweils einem oder mehreren in dem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle und eine Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen, welche dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungsstrang zu umgehen, umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Beheizens des Elektrolytkondensators, falls die ermittelte Temperatur des Elektrolytkondensators unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt, aufweisen.
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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;
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4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Energiespeichereinrichtung 10 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung durch einen Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 mit parallel schaltbaren Energieversorgungsstränge 10a, 10b zwischen zwei Ausgangsanschlüssen 4a, 4b der Energiespeichereinrichtung 10. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b weisen jeweils Stranganschlüsse 1a und 1b auf. Die Energiespeichereinrichtung 10 weist mindestens 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 der Energiespeichereinrichtung 10 bilden.
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Da die Energieversorgungsstränge 10a, 10b über die Stranganschlüsse 1a, 1b der Energieversorgungsstränge 10a, 10b parallel geschaltet werden können, wirken die Energieversorgungsstränge 10a, 10b als Stromquellen variablen Ausgangsstroms. Die Ausgangsströme der Energieversorgungsstränge 10a, 10b summieren sich dabei an dem Ausgangsanschluss 4a der Energiespeichereinrichtung 10 zu einem Gesamtausgangsstrom.
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Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b können dabei jeweils über Speicherinduktivitäten 2a, 2b mit dem Ausgangsanschluss 4a der Energiespeichereinrichtung 10 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. Durch entsprechende Ansteuerung der Energieversorgungsstränge 10a, 10b kann der Stromfluss in den Gleichspannungszwischenkreis mit dem Elektrolytkondensator 9 gesteuert werden. Ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b höher als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Elektrolytkondensator 9, ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b hingegen niedriger als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b. Der maximale Strom wird dabei durch die Speicherinduktivitäten 2a, 2b im Zusammenspiel mit dem Elektrolytkondensator 9 begrenzt.
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Auf diese Art und Weise wirkt jeder Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b über die Speicherinduktivitäten 2a, 2b als variable Stromquelle, die sich sowohl für eine Parallelschaltung als auch zur Realisierung von Stromzwischenkreisen eignen. Im Falle eines einzelnen Energieversorgungsstrangs 10a kann auf die Speicherinduktivität 2a auch verzichtet werden, so dass der Energieversorgungsstrang 10a direkt zwischen die Ausgangsanschlüsse 4a, 4b der Energiespeichereinrichtung 10 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, 5k.
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Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch Superkondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicherzellen 5a bis 5k eingesetzt werden. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.
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Die 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. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne der 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 die Modulspannung an. Ein Überbrückungs- bzw. Umgehungszustand 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 Überbrückungs- bzw. Umgehungszustand 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 Überbrückungs- bzw. Umgehungszuständen liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung 0 an. Ebenso kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 geschaltet werden, indem die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die 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 zwischen der negativen Gesamtspannung und der positiven Gesamtspannung des Energieversorgungsstrangs 10a, 10b eingestellt werden. Die einzelnen Energiespeichermodule 3, die dabei jeweils zur Gesamt-Ausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs 10a, 10b beitragen, können zyklisch oder in anderer einstellbarer Weise durchgetauscht werden, um die Belastung auf die einzelnen Energiespeicherzellenmodule 5 im Laufe des Betriebs möglichst gleichmäßig zu halten.
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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 der Koppeleinrichtungen 7 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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Um einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der Energiespeicherzellemodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7a, 7c und gegebenenfalls 7b, 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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Wie in 4 gezeigt, kann die Energiespeichereinrichtung 10 in einem elektrischen Antriebssystem 100 über den Gleichspannungszwischenkreis 9 mit einem Wechselrichter 13 gekoppelt werden. Der Wechselrichter 13 kann dabei die Versorgungsspannung der Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 aufnehmen und in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung für eine elektrische Maschine 14 wandeln. Die Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 kann dabei wie in 1 ausgestaltet werden. Es kann jedoch auch möglich sein, einen Traktionsgleichspannungswandler für die Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 vorzusehen, der aus einer Traktionsbatterie gespeist wird.
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Im Beispiel der 4 generiert der Wechselrichter 13 eine dreiphasige Ausgangsspannung für eine Drehstrommaschine 14. Die Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 kann dabei über die Steuereinrichtung 8 derart eingestellt werden, dass können Ausgangsspannungen und Ausgangsströme der Energiespeichereinrichtung 10 weitgehend schwankungsfrei, d.h. ohne Strom- bzw. Spannungsrippel gehalten werden.
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Dies ist insbesondere zu beachten, wenn Elektrolytkondensatoren für den Gleichspannungszwischenkreis 9 eingesetzt werden, deren Innenwiderstand mit abnehmender Umgebungstemperatur stark ansteigt. Die durch den Wechselrichter 13 aus der Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 entnommenen Ströme sind nicht kontinuierlich und führen dazu zu zusätzlichen Rippelspannungen im Gleichspannungszwischenkreis 9. Diese Rippelspannungen steigen einerseits mit dem Innenwiderstand des Elektrolytkondensators. Andererseits sind bei hohen entnommenen Strömen die Rippelspannungen entsprechend höher. Dies kann dazu führen, dass die maximale Blockierspannung der aktiven Schaltelemente des Wechselrichters 13 überschritten werden, wodurch der Wechselrichter 13 defekt werden kann.
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Um dies zu vermeiden, können insbesondere bei tiefen Temperaturen des Elektrolytkondensators im Gleichspannungszwischenkreis 9 die Maximalwerte der ausgegebenen Versorgungsspannung der Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 reduziert werden., so dass trotz des erhöhten Rippelanteils der Spannung die Blockierspannung der aktiven Schaltelemente des Wechselrichters 13 nie überschritten werden. Dabei kann die Steuereinrichtung 8 über einen Temperatursensor 11 in der Nähe des Elektrolytkondensators im Gleichspannungszwischenkreis 9 die Temperatur des Elektrolytkondensators ermitteln. In Abhängigkeit einer in der Steuereinrichtung 8 hinterlegten Nachschlagetabelle oder einer Berechnung auf der Basis einer vorbestimmten Spannungs-Temperatur-Funktion kann die Steuereinrichtung 8 dann die Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 derart ansteuern, dass die ausgegebene Versorgungsspannung unterhalb eines sicherheitskritischen Levels bleibt. Zudem kann die Steuereinrichtung 8 auftretende Spitzenwerte der Versorgungsspannung überwachen und gegebenenfalls die Versorgungsspannung entsprechend reduzieren. Dieser Zustand kann zumindest solange aufrechterhalten werden, bis die Temperatur des Elektrolytkondensators im Gleichspannungszwischenkreis 9 auf eine normale bzw. unkritische Betriebstemperatur angestiegen ist. Hierzu kann zusätzlich ein Heizelement 12 vorgesehen sein, welches den Elektrolytkondensator beheizt, wenn dessen Temperatur sehr niedrig, insbesondere unterhalb von 0°C ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 20 zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere des elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 10 und einem Wechselrichter 13, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 4 erläutert.
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In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Erzeugen einer Gleichspannung durch eine Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1, welche einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Elektrolytkondensator 9 speist. In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Ermitteln der Temperatur des Elektrolytkondensators 9. Davon ausgehend kann in einem dritten Schritt die durch die Gleichspannungserzeugungseinrichtung 1 ausgegebene Gleichspannung in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur angepasst werden, so dass in einem Schritt 24 der Wechselrichter 13 aus dem Elektrolytkondensator 9 gespeist werden kann. Dieses Verfahren verringert die auftretenden Spannungsrippel in dem Elektrolytkondensator 9 erheblich, und trägt damit zur Betriebssicherheit des Wechselrichters 13 bei.
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Optional kann in einem Schritt 25 ein Beheizen des Elektrolytkondensators erfolgen, falls die ermittelte Temperatur des Elektrolytkondensators unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt, beispielsweise unterhalb von 0°C.
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Das Verfahren 20 sowie das elektrische Antriebssystem 100 eignet sich insbesondere für Antriebssysteme elektrisch betriebener Fahrzeuge wie Elektroautos oder Hybridfahrzeuge, da deren Betriebstemperaturen üblicherweise einen weiten Temperaturbereich umfassen. Insbesondere können die Betriebstemperaturen derartiger Fahrzeuge weit unter 0°C liegen, in denen der Innenwiderstand der verwendeten Elektrolytkondensatoren sehr hoch ist. Mit den erfindungsgemäßen Lösungen ist ein derartiges Antriebssystem auch mit Elektrolytkondensatoren sehr kostengünstig zu implementieren, ohne dass die Betriebssicherheit des Antriebssystems kompromittiert wird. Dies geht zwar zu Lasten der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems, die aber zumindest temporär – das heißt, bis die Elektrolytkondensatoren normale Betriebstemperatur erreicht haben – akzeptabel ist, insbesondere da gängige chemische Batteriesysteme ohnehin eine bei tiefen Temperaturen verminderte Leistungsfähigkeit aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027857 A1 [0003]
- DE 102010027861 A1 [0003]
- US 2007/0060859 A1 [0005]
- WO 2013/000522 A1 [0005]
