DE102013212692A1 - Energy storage device with DC power supply circuit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung, wobei die Energiespeichereinrichtung mindestens zwei Energieversorgungszweige aufweist, welche an einem ersten Ausgang jeweils mit mindestens einem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen und an einem zweiten Ausgang mit einer gemeinsamen Sammelschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Die Energiespeichermodule umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit einer Koppelbrückenschaltung aus Koppelelementen, wobei die Koppelelemente dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig zu umgehen. Die Gleichspannungsversorgungsschaltung weist einen Brückengleichrichter auf, welcher zwei Eingangsanschlüsse, die den Brückengleichrichter in die Sammelschiene oder eine Ausgangsleitung eines Energieversorgungszweigs einkoppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse aufweist, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an zwei Speiseknoten der Gleichspannungsversorgungsschaltung auszugeben.The invention relates to a system with an energy storage device and a DC voltage supply circuit, the energy storage device having at least two energy supply branches which are coupled at a first output to at least one output terminal of the energy storage device for generating an AC voltage at the output terminals and at a second output to a common busbar , wherein each of the energy supply branches has a multiplicity of energy storage modules connected in series. The energy storage modules each include an energy storage cell module, which has at least one energy storage cell, and a coupling device with a coupling bridge circuit composed of coupling elements, the coupling elements being designed to selectively switch the energy storage cell module into the respective energy supply branch or bypass it in the energy supply branch. The DC voltage supply circuit has a bridge rectifier which has two input connections that couple the bridge rectifier into the busbar or an output line of a power supply branch, and two output connections that are designed to output a rectified current to two feed nodes of the DC voltage supply circuit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung mit einer Gleichspannungsversorgungsschaltung, insbesondere für einen Batteriedirektumrichter, welcher ein Fahrzeugbordnetz mit einer Gleichspannung versorgt.The invention relates to an energy storage device with a DC power supply circuit, in particular for a battery direct converter, which supplies a vehicle electrical system with a DC voltage.

Stand der TechnikState of the art

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.It is becoming apparent that in the future both stationary applications, e.g. Wind turbines or solar systems, as well as in vehicles such as hybrid or electric vehicles, increasingly electronic systems are used that combine new energy storage technologies with electric drive technology.

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.The feeding of multi-phase current into an electrical machine is usually accomplished by a converter in the form of a pulse-controlled inverter. For this purpose, a DC voltage provided by a DC voltage intermediate circuit can be converted into a multi-phase AC voltage, for example a three-phase AC voltage. The DC link is fed by a string of serially connected battery modules. In order to meet the power and energy requirements of a particular application, multiple battery modules are often connected in series in a traction battery.

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.The series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system. Furthermore, temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.

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 die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Dabei 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. 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.In the publication US 5,642,275 A1 a battery system with integrated inverter function is described. Systems of this type are known under the name Multilevel Cascaded Inverter or Battery Direct Inverter (Battery Direct Inverter, BDI). Such systems include DC sources in multiple energy storage module strings which are directly connectable to an electrical machine or electrical network. In this case, single-phase or multi-phase supply voltages can be generated. The energy storage module strands have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows the respective assigned at least one battery cell to be bridged as a function of control signals or the respectively assigned at least one battery cell to switch the respective energy storage module string. In this case, the coupling unit can be designed such that it additionally allows to switch the respectively associated at least one battery cell with inverse polarity in the respective energy storage module string or to interrupt the respective energy storage module string. By suitable control of the coupling units, for example by means of pulse width modulation, it is also possible to provide suitable phase signals for controlling the phase output voltage, so that a separate pulse inverter can be dispensed with. The required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated so to speak in the BDI.

BDIs weisen gegenüber herkömmlichen Systemen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Ausfallsicherheit und einen deutlich geringeren Oberschwingungsgehalt ihrer Ausgangsspannung auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Ansteuerung der ihnen zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungssträngen überbrückt 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.BDIs usually have a higher efficiency, a higher reliability and a much lower harmonic content of their output voltage compared to conventional systems. The reliability is ensured, inter alia, that defective, failed or not fully efficient battery cells can be bridged by appropriate control of their associated coupling units in the power supply lines. The phase output voltage of an energy storage module string can be varied by appropriate activation of the coupling units and in particular be set in stages. The gradation of the output voltage results from the voltage of a single energy storage module, wherein the maximum possible phase output voltage is determined by the sum of the voltages of all energy storage modules of an energy storage module string.

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.The pamphlets DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1 For example, disclose battery direct inverter with multiple battery module strings, which are directly connected to an electric machine.

Am Ausgang von BDIs steht keine konstante Gleichspannung zur Verfügung, da die Energiespeicherzellen auf unterschiedliche Energiespeichermodule aufgeteilt sind und deren Koppeleinrichtungen gezielt zur Erzeugung einer Spannungslage angesteuert werden müssen. Durch diese Verteilung steht ein BDI im Grunde nicht als Gleichspannungsquelle, beispielsweise für die Speisung eines Bordnetzes eines elektrischen Fahrzeugs, zur Verfügung. Dementsprechend ist auch das Laden der Energiespeicherzellen über eine herkömmliche Gleichspannungsquelle nicht ohne weiteres möglich.At the output of BDIs is no constant DC voltage available because the energy storage cells are divided into different energy storage modules and their coupling devices must be targeted to generate a voltage. Due to this distribution, a BDI is basically not available as a DC voltage source, for example for the supply of an electrical system of an electric vehicle. Accordingly, the charging of the energy storage cells via a conventional DC voltage source is not readily possible.

Es besteht daher ein Bedarf an einer Energiespeichereinrichtung mit einer Gleichspannungsversorgungsschaltung, mit denen ein Gleichspannungsabnehmer aus der Energiespeichereinrichtung mit einer Gleichspannung gespeist bzw. eine Gleichspannungsladeschaltung an die Energiespeichereinrichtung angekoppelt werden kann.There is therefore a need for an energy storage device with a DC power supply circuit, with which a Gleichspannungsabnehmer from the energy storage device with a DC voltage supplied or a DC charging circuit can be coupled to the energy storage device.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung, wobei die Energiespeichereinrichtung mindestens zwei Energieversorgungszweige aufweist, welche an einem ersten Ausgang jeweils mit mindestens einem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen und an einem zweiten Ausgang mit einer gemeinsamen Sammelschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Die Energiespeichermodule umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit einer Koppelbrückenschaltung aus Koppelelementen, wobei die Koppelelemente dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig zu umgehen. Die Gleichspannungsversorgungsschaltung weist einen Brückengleichrichter, welcher zwei Eingangsanschlüsse, die den Brückengleichrichter in die Sammelschiene oder in eine der Ausgangsleitungen an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung einkoppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse aufweist, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an zwei Speiseknoten der Gleichspannungsversorgungsschaltung auszugeben.The present invention provides, in one aspect, a system having an energy storage device and a DC power supply circuit, wherein the energy storage device comprises at least two power supply branches, each having at least one output terminal of the energy storage device for generating an AC voltage at the output terminals and at a second output with a first output common busbar are coupled, each of the power supply branches having a plurality of series-connected energy storage modules. The energy storage modules each comprise an energy storage cell module having at least one energy storage cell, and a coupling device with a coupling bridge circuit of coupling elements, wherein the coupling elements are adapted to selectively switch the energy storage cell module in the respective power supply branch or to bypass in the power supply branch. The DC power supply circuit includes a bridge rectifier having two input terminals coupling the bridge rectifier to the bus bar or one of the output lines at the output terminals of the energy storage device and two output terminals configured to output a rectified current to two supply nodes of the DC power supply circuit.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung für die Ausgänge einer modular ausgestalteten Energiespeichereinrichtung, insbesondere eines Batteriedirektumrichters, vorzusehen, mit der eine Gleichspannung für den Betrieb eines Gleichspannungsabnehmers, beispielsweise eines Gleichspannungswandlers eines Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, während des Betriebs der Energiespeichereinrichtung für die Ansteuerung einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann. Dazu ist es vorgesehen, einen Brückengleichrichter zwischen den Sternpunkt der durch die Energiespeichereinrichtung gespeisten Maschine und die Sammelschiene der Energiespeichereinrichtung einzukoppeln. Dadurch wird der Brückengleichrichter stets durch den Sternpunktstrom der elektrischen Maschine gespeist, so dass an den sekundärseitigen Abgriffen des Brückengleichrichters ständig der gleichgerichtete Sternpunktstrom fließt.It is an idea of the present invention to provide a circuit for the outputs of a modular designed energy storage device, in particular a battery direct converter, with a DC voltage for the operation of a DC voltage pickup, for example a DC-DC converter of a vehicle electrical system of an electrically operated vehicle, during operation of the energy storage device for the Control of an electrical machine can be provided. For this purpose, it is provided to couple a bridge rectifier between the neutral point of the machine fed by the energy storage device and the busbar of the energy storage device. As a result, the bridge rectifier is always fed by the star point current of the electric machine, so that at the secondary-side taps of the bridge rectifier constantly the rectified neutral point current flows.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass dadurch stets ein Gleichstrom, beispielsweise zur Speisung eines Zwischenkreiskondensators des Bordnetzes aus der Energiespeichereinrichtung, vorhanden ist, egal in welchem Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung gerade betrieben wird. Durch Steuern der Eingangsspannung eines an den sekundärseitigen Abgriffen des Brückengleichrichters angeschlossenen Gleichspannungsabnehmers kann der Energiefluss in das Bordnetz geregelt werden.It is thereby particularly advantageous that there is always a direct current, for example for supplying an intermediate circuit capacitor of the vehicle electrical system from the energy storage device, regardless of the operating state in which the energy storage device is currently being operated. By controlling the input voltage of a DC voltage pickup connected to the secondary-side taps of the bridge rectifier, the energy flow into the electrical system can be regulated.

Ein weiterer Vorteil dieser Gleichspannungsversorgungseinrichtung besteht darin, dass zusätzlich eine Ladeschaltung, beispielsweise von einem Reichweitenvergrößerer in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, in Reihe zu dem Gleichspannungsabnehmer gekoppelt werden kann, um über die Sternpunktverschaltung der Sammelschiene selektiv Ladeenergie in die Energiespeichermodule auch während des Versorgungsbetriebs der Energiespeichereinrichtung einzuspeisen.Another advantage of this DC voltage supply device is that in addition a charging circuit, for example, from a range extender in an electrically powered vehicle, can be coupled in series with the DC voltage pickup to selectively feed charging energy into the energy storage modules via the neutral point interconnection of the busbar during the supply operation of the energy storage device ,

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter vier Brückenhalbzweige aufweisen, welche jeweils eine Gleichrichterdiode aufweisen.According to one embodiment of the system according to the invention, the bridge rectifier may have four bridge half-branches, each having a rectifier diode.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter mit seinen beiden Eingangsanschlüssen in die Sammelschiene eingekoppelt sein.According to a further embodiment of the system according to the invention, the bridge rectifier can be coupled with its two input terminals in the busbar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter mindestens zwei Brückenkoppelschalter aufweisen, welche jeweils in einen der Brückenhalbzweige in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode geschaltet sind. According to a further embodiment of the system according to the invention, the bridge rectifier can have at least two bridge coupling switches which are each connected in one of the bridge half branches in series with the respective rectifier diode.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter vier Brückenkoppelschalter aufweisen, welche jeweils in die Brückenhalbzweige in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode geschaltet sind.According to a further embodiment of the system according to the invention, the bridge rectifier may have four bridge coupling switches, which are each connected in the bridge half-branches in series with the respective rectifier diode.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin einen Gleichspannungswandler umfassen, welcher zwischen die zwei Speiseknoten gekoppelt ist. Dabei kann der Gleichspannungswandler einen Hochsetzsteller oder einen Durchflusswandler aufweisen.According to another embodiment of the system according to the invention, the system may further comprise a DC-DC converter coupled between the two supply nodes. In this case, the DC-DC converter may have a step-up converter or a forward converter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwei Ladeschaltungsanschlüsse und eine Ladeschaltung aufweisen, wobei die Ladeschaltung über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse in Reihe zu den Speiseknoten gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen.According to another embodiment of the system according to the invention, the DC power supply circuit may comprise two charging circuit terminals and a charging circuit, the charging circuit being connected in series with the supply nodes via the two charging circuit terminals coupled, and wherein the charging circuit is adapted to provide a charging voltage for the energy storage cell modules of the energy storage device.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwei Ladeschaltungsanschlüsse und eine Ladeschaltung aufweisen, wobei die Ladeschaltung über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse in Reihe zu dem Gleichspannungswandler gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen. Dabei kann die Ladeschaltung derart in Reihe zu dem Gleichspannungswandler gekoppelt sein, dass eine Ausgabespannung der Ladeschaltung entgegengesetzt zu der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers gepolt ist.According to an alternative embodiment of the system according to the invention, the DC power supply circuit may comprise two charging circuit terminals and a charging circuit, wherein the charging circuit is coupled in series with the DC-DC converter via the two charging circuit terminals, and wherein the charging circuit is configured to provide a charging voltage for the energy storage cell modules of the energy storage device. In this case, the charging circuit may be coupled in series with the DC-DC converter such that an output voltage of the charging circuit is polarized opposite to the input voltage of the DC-DC converter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin eine n-phasige elektrische Maschine mit n Phasenanschlüssen aufweisen, welche mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, wobei n ≥ 1.According to a further embodiment of the system according to the invention, the system may further comprise an n-phase electric machine having n phase terminals coupled to the output terminals of the energy storage device, where n ≥ 1.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die n-phasige elektrische Maschine einen Wicklungssternpunkt aufweisen, der aus der Maschine herausgeführt ist. Des Weiteren kann der Wicklungssternpunkt mit der Sammelschiene derart gekoppelt sein, dass die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwischen die Sammelschiene der Energiespeichereinrichtung und den Wicklungssternpunkt gekoppelt ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei zweiphasigen elektrischen Maschinen (n = 2).According to a further embodiment of the invention, the n-phase electric machine may have a winding star point, which is led out of the machine. Furthermore, the winding star point can be coupled to the busbar such that the DC voltage supply circuit is coupled between the busbar of the energy storage device and the winding star point. This is particularly advantageous for two-phase electrical machines (n = 2).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwischen einen Ausgang der Energiespeichereinrichtung und einen Phasenanschluss der elektrischen Maschine gekoppelt sein.According to a further embodiment of the invention, the DC power supply circuit may be coupled between an output of the energy storage device and a phase connection of the electrical machine.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung; 1 a schematic representation of a system with an energy storage device;

2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung; 2 a schematic representation of an energy storage module of an energy storage device;

3 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 3 a schematic representation of a system with an energy storage device and a DC power supply circuit according to an embodiment of the invention;

4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic representation of a system with an energy storage device and a DC power supply circuit according to another embodiment of the present invention;

5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 5 a schematic representation of a system with an energy storage device and a DC power supply circuit according to another embodiment of the present invention;

6 eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen Gleichspannungswandler für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 6 a schematic representation of an example of a DC-DC converter for a system according to one of 3 to 5 according to another embodiment of the invention;

7 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für einen Gleichspannungswandler für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 7 a schematic representation of another example of a DC-DC converter for a system according to one of 3 to 5 according to another embodiment of the invention;

8 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für einen Gleichspannungswandler für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 8th a schematic representation of another example of a DC-DC converter for a system according to one of 3 to 5 according to another embodiment of the invention;

9 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Ladeschaltung für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 9 a schematic representation of an example of a charging circuit for a system according to one of 3 to 5 according to another embodiment of the present invention; and

10 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Ladeschaltung für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 a schematic representation of another example of a charging circuit for a system according to one of 3 to 5 according to another embodiment of the present invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von in Energiespeichermodulen 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen Z, von denen in 1 beispielhaft zwei gezeigt sind, welche zur Erzeugung einer zweiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Transversalflussmaschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich sein kann. Die Energieversorgungszweige Z können eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 3 aufweisen, welche in den Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 1 je drei Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige Z über einen Ausgangsanschluss 1a und 1b, welche jeweils an Phasenleitungen 2a und 2b angeschlossen sind. Die Phasenleitung 2c der elektrischen Maschine 2 ist im Beispiel der 1 direkt über den Sternpunkt der Maschine 2 mit einer Sammelschiene 2c verbunden, die wiederum über einen zweiten Ausgang 1c der Energiespeichereinrichtung 1 mit Eingangsanschlüssen, vorzugsweise dem Wicklungssternpunkt, der Energieversorgungszweige Z gekoppelt ist. 1 shows a schematic representation of a system 100 with an energy storage device 1 for voltage conversion in energy storage modules 3 provided DC voltage in an n-phase AC voltage. The energy storage device 1 comprises a plurality of power supply branches Z, of which in 1 two examples are shown, which for generating a two-phase AC voltage, for example for a transverse flux machine 2 , are suitable. However, it will be understood that any other number of power supply branches Z may also be possible. The power supply branches Z may have a plurality of energy storage modules 3 have, which are connected in the power supply branches Z in series. Exemplary are in 1 three energy storage modules each 3 per power supply branch Z, but with every other number Energy storage modules 3 may be possible as well. The energy storage device 1 has at each of the power supply branches Z via an output terminal 1a and 1b , which in each case to phase lines 2a and 2 B are connected. The phase line 2c the electric machine 2 is in the example of 1 directly over the neutral point of the machine 2 with a busbar 2c connected, in turn, via a second output 1c the energy storage device 1 with input terminals, preferably the winding star point, the power supply branches Z is coupled.

Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung S umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mit Hilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b bzw. dem Ausgang 1c bereitzustellen.The system 100 may further comprise a control device S, which with the energy storage device 1 connected, and with the aid of which the energy storage device 1 can be controlled to the desired output voltages at the respective output terminals 1a . 1b or the output 1c provide.

Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu einer Gesamt-Ausgangsspannung, welche an dem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b bzw. 1c der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.The energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b on, over which an output voltage of the energy storage modules 3 can be provided. Because the energy storage modules 3 are primarily connected in series, the output voltages of the energy storage modules add up 3 to a total output voltage present at the respective one of the output terminals 1a . 1b respectively. 1c the energy storage device 1 can be provided.

Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in 2 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a, 7b, 7c und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a bis 5k.Exemplary construction forms of the energy storage modules 3 are in 2 shown in greater detail. The energy storage modules 3 each comprise a coupling device 7 with several coupling elements 7a . 7b . 7c and 7d , The energy storage modules 3 each further comprise an energy storage cell module 5 with one or more energy storage cells connected in series 5a to 5k ,

Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den in 2 und 3 gezeigten Energiespeichermodulen 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.The energy storage cell module 5 can, for example, connected in series energy storage cells 5a to 5k , For example, lithium-ion cells have. The number of energy storage cells is 5a to 5k in the in 2 and 3 shown energy storage modules 3 two by way of example, but with every other number of energy storage cells 5a to 5k is also possible.

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. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d als MOSFET-Schalter, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen, oder IGBT-Schalter ausgebildet sind.The energy storage cell modules 5 are via connection lines with input terminals of the associated coupling device 7 connected. The coupling device 7 is in 2 by way of example as a full bridge circuit with two coupling elements each 7a . 7c and two coupling elements 7b . 7d educated. The coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d can each have an active switching element, such as a semiconductor switch, and a parallel-connected freewheeling diode. It may be provided that the coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d as MOSFET switches, which already have an intrinsic diode, or IGBT switches are formed.

Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mit Hilfe der in 1 dargestellten Steuereinrichtung S, dass das jeweilige Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. 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. 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 dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden. Schließlich kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7b und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7c in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in einen offenen Zustand versetzt werden. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt und mit beliebiger Polung in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs Z integriert werden.The coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d can be controlled in such a way, for example with the help of in 1 shown control device S, that the respective energy storage cell module 5 selectively between the output terminals 3a and 3b is switched or that the energy storage cell module 5 is bridged. Regarding 2 can the energy storage cell module 5 for example, in the forward direction between the output terminals 3a and 3b be switched by the active switching element of the coupling element 7d and the active switching element of the coupling element 7a be placed in a closed state, while the two remaining active switching elements of the coupling elements 7b and 7c be put in an open state. A bridging state can be set, for example, by virtue of the fact that the two active switching elements of the coupling elements 7a and 7b be placed in the closed state, while the two active switching elements of the coupling elements 7c and 7d kept open. A second bypass state can be set by the fact that the two active switching elements of the coupling elements 7a and 7b be kept in the open state, while the two active switching elements of the coupling elements 7c and 7d be placed in the closed state. Finally, the energy storage cell module 5 for example, in the reverse direction between the output terminals 3a and 3b be switched by the active switching element of the coupling element 7b and the active switching element of the coupling element 7c be placed in a closed state, while the two remaining active switching elements of the coupling elements 7a and 7d be put in an open state. By suitable activation of the coupling devices 7 can therefore individual energy storage cell modules 5 the energy storage modules 3 targeted and with any polarity in the series connection of a power supply branch Z can be integrated.

Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer zweiphasigen elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. Die Energieversorgungszweige Z können an ihrem zu einem Sternpunkt verbundenen Ende mit einer Sammelschiene 2c (Bezugspotentialschiene) verbunden werden. Auch ohne weitere Verbindung mit einem außerhalb der Energieversorgungseinrichtung 1 liegenden Bezugspotential kann das Potential der zu einem Sternpunkt verbundenen Enden der Energieversorgungszweige Z per Definition als Bezugspotential festgelegt werden.The system is exemplary 100 in 1 for feeding a two-phase electric machine 2 For example, in an electric drive system for an electrically powered vehicle. However, it can also be provided that the energy storage device 1 for generating electricity for a power grid 2 is used. The power supply branches Z can at their end connected to a star point with a busbar 2c (Reference potential rail) are connected. Even without further connection with an outside of the Power supply means 1 lying reference potential, the potential of the connected to a neutral point ends of the power supply branches Z are defined by definition as a reference potential.

Für die Erzeugung einer Phasenspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 1a und 1b einerseits und der Sammelschiene 2c andererseits wird üblicherweise nur ein Teil der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 benötigt. Deren Koppeleinrichtungen 7 können derart angesteuert werden, dass die Gesamt-Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z stufig in einem rechteckigen Spannungs-/Strom-Stellbereich zwischen der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten negativen Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 und der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten positiven Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 einerseits und dem negativen und dem positiven Nennstrom durch ein einzelnes Energiespeichermodul 3 andererseits eingestellt werden kann.For generating a phase voltage between the output terminals 1a and 1b on the one hand and the busbar 2c On the other hand, usually only a part of the energy storage cell modules 5 the energy storage modules 3 needed. Their coupling devices 7 can be controlled such that the total output voltage of a power supply branch Z stage in a rectangular voltage / current adjustment range between the with the number of energy storage modules 3 multiplied negative voltage of a single energy storage cell module 5 and the number of energy storage modules 3 multiplied positive voltage of a single energy storage cell module 5 on the one hand and the negative and the positive rated current through a single energy storage module 3 on the other hand can be adjusted.

Eine derartige Energiespeichereinrichtung 1 wie in 1 gezeigt, weist an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, zu verschiedenen Zeitpunkten im Betrieb unterschiedliche Potentiale auf, und kann daher nicht ohne weiteres als Gleichspannungsquelle genutzt werden. Besonders in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge ist es häufig wünschenswert, das Bordnetz des Fahrzeugs, beispielsweise ein Hochvoltbordnetz oder ein Niedervoltbordnetz, aus der Energiespeichereinrichtung 1 zu speisen. Daher ist eine Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, an eine Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen zu werden, und gespeist von jener eine Gleichspannung, beispielsweise für das Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, bereitzustellen.Such an energy storage device 1 as in 1 shown points at the output terminals 1a . 1b , at different times during operation different potentials, and therefore can not be readily used as a DC voltage source. Particularly in electric drive systems of electrically powered vehicles, it is often desirable to have the vehicle electrical system of the vehicle, for example a high-voltage on-board electrical system or a low-voltage on-board electrical system, from the energy storage device 1 to dine. Therefore, a DC power supply circuit 8th provided, which is adapted to an energy storage device 1 to be connected, and fed by that a DC voltage, for example, for the electrical system of an electrically powered vehicle to provide.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 200 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer solchen Gleichspannungsversorgungsschaltung 8. Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 ist mit der Energiespeichereinrichtung 1 über die Sammelschiene 2c gekoppelt. Dabei kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 zwischen den Wicklungssternpunkt der elektrischen Maschine 2 sowie den zweiten Ausgang 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt werden. 3 shows a schematic representation of a system 200 with an energy storage device 1 and such a DC power supply circuit 8th , The DC power supply circuit 8th is with the energy storage device 1 over the busbar 2c coupled. In this case, the DC power supply circuit 8th between the winding star point of the electric machine 2 as well as the second exit 1c the energy storage device 1 be coupled.

In den 3 bis 5 ist beispielhaft stets die Kopplung der Gleichspannungsversorgungsschaltung zwischen die Sammelschiene 2c der Energiespeichereinrichtung 1 und den Wicklungssternpunkt der elektrischen Maschine 2 dargestellt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 mit der Energiespeichereinrichtung 1 über einen Phasenanschluss 1a, 1b zu koppeln und dabei die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 zwischen diesen Phasenanschluss 1a, 1b und den zugehörigen Phasenanschluss 2a, 2b der elektrischen Maschine 2 zu koppeln.In the 3 to 5 is always exemplary, the coupling of the DC power supply circuit between the busbar 2c the energy storage device 1 and the winding star point of the electric machine 2 shown. Alternatively, however, it is also possible for the DC power supply circuit 8th with the energy storage device 1 via a phase connection 1a . 1b to couple while the DC power supply circuit 8th between these phase connection 1a . 1b and the associated phase connection 2a . 2 B the electric machine 2 to pair.

Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 weist einen Brückengleichrichter 9 auf, welcher zwei Eingangsanschlüsse 9a, 9b aufweist, die den Brückengleichrichter 9 in die Sammelschiene 2c einkoppeln. Außerdem umfasst der Brückengleichrichter 9 zwei Ausgangsanschlüsse 9c, 9d, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an den zwei Speiseknoten 14a, 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 auszugeben. An den Speiseknoten 14a, 14b kann beispielsweise ein weiterer (nicht in 3 gezeigter) Gleichspannungswandler für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeschlossen werden oder es kann – bei geeignetem Abgleich zwischen dem gleichgerichteten Ausgangsstroms der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 an den Speiseknoten 14a, 14b und dem benötigten Eingangsstrom des Bordnetzes – dieses Bordnetz direkt angeschlossen werden.The DC power supply circuit 8th has a bridge rectifier 9 on which two input terminals 9a . 9b which has the bridge rectifier 9 into the busbar 2c inject. In addition, the bridge rectifier includes 9 two output connections 9c . 9d which are adapted to receive a rectified current at the two supply nodes 14a . 14b the DC power supply circuit 8th issue. At the feeding knot 14a . 14b For example, another (not in 3 shown) can be connected to a vehicle electrical system of an electrically operated vehicle or it can - with a suitable balance between the rectified output current of the DC power supply circuit 8th at the feeding knot 14a . 14b and the required input current of the electrical system - this electrical system can be connected directly.

Der Brückengleichrichter 9 weist im Beispiel der 3 eine Gleichrichterschaltung mit vier Brückenhalbzweigen 6a, 6b, 6c, 6d, welche jeweils eine Gleichrichterdiode 10 aufweisen, zwei Eingangsknoten 9a, 9b und zwei Ausgangsknoten 9c, 9d auf. Die Speiseknoten 14a, 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 sind mit den Ausgangsknoten 9c, 9d des Brückengleichrichters gekoppelt. Vom Eingangsknoten 9a zum Eingangsknoten 9b des Brückengleichrichters 9 fließt der Sternpunktstrom Isp der elektrischen Maschine 2. Vom Ausgangsknoten 9c zum Ausgangsknoten 9d des Brückengleichrichters 9 und damit vom Eingangsknoten 14a zum Eingangsknoten 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 fließt folglich der gleichgerichtete Sternpunktstrom |Isp| der elektrischen Maschine, der folglich gleich dem Eingangsstrom Iin der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 ist.The bridge rectifier 9 points in the example of the 3 a rectifier circuit with four bridge half-branches 6a . 6b . 6c . 6d , which each have a rectifier diode 10 have two input nodes 9a . 9b and two output nodes 9c . 9d on. The feeding knots 14a . 14b the DC power supply circuit 8th are with the starting nodes 9c . 9d coupled to the bridge rectifier. From the entrance node 9a to the entrance node 9b of the bridge rectifier 9 the star point current I sp of the electric machine flows 2 , From the starting node 9c to the starting node 9d of the bridge rectifier 9 and thus from the entrance node 14a to the entrance node 14b the DC power supply circuit 8th Consequently, the rectified neutral point current | I sp | flows the electric machine, thus equal to the input current I in the DC power supply circuit 8th is.

Zwischen den Speiseknoten 14a, 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 fließt somit der Strom Iin = |Isp|, welcher durch eine Gleichspannungseingangsstufe 20 – wie in den Beispielen der 6 bis 8 gezeigt – zur Erzeugung einer Gleichspannung UZK genutzt werden kann.Between the feeding knots 14a . 14b the DC power supply circuit 8th Thus, the current I in = I I sp | flowing through a DC input stage 20 As in the examples of 6 to 8th shown - can be used to generate a DC voltage U ZK .

6 beispielsweise zeigt einen Hochsetzsteller 20, der dazu ausgelegt ist, aus dem an seinen Speiseknoten 14a, 14b bereitstehenden Strom Iin an seinen Ausgangsklemmen 24a, 24b die Gleichspannung UZK zu erzeugen. Der Hochsetzsteller 20 kann beispielsweise eine Ausgangsdiode 21 aufweisen, welche zwischen den ersten Speiseknoten 14a und die erste Ausgangsklemme 24a gekoppelt ist. Der erste Speiseknoten 14a ist mit dem zweiten Speiseknoten 14b zudem über ein Stellerschaltelement 22. Zwischen die Ausgangsklemmen 24a, 24b des Hochsetzstellers ist zudem ein Zwischenkreiskondensator 23 gekoppelt. Der Zwischenkreiskondensator 23 kann dazu ausgelegt sein, die durch die Ausgangsdiode 21 und das Stellerschaltelement 22 erzeugten Strompulse zu puffern und so am Ausgang des Hochsetzstellers 20 eine geglättete Gleichspannung UZK zu erzeugen. Ist das Stellerschaltelement 22 leitend, so fließt der Eingangsstrom Iin des Hochsetzstellers 20 über dieses Stellerschaltelement 22. Der Hochsetzsteller 20 und der Brückengleichrichter 9 stellen in diesem Schaltzustand einen Kurzschluss dar, die Eingangsspannung Uin des Hochsetzstellers 20 ist gleich Null und es wird keine Energie in den Zwischenkreiskondensator 23 eingespeist. Ist das Stellerschaltelement 22 gesperrt, so muss der Eingangsstrom Iin des Hochsetzstellers 20 über die Ausgangsdiode 21 und den Zwischenkreiskondensator 23 fließen. Die Eingangsspannung Uin des Hochsetzstellers 20 ist dann gleich UZK gleich null und dem .Zwischenkreiskondensator 23 wird die elektrische Leistung |Isp|·UZK vom Hochsetzsteller 20 zugeführt, Der Hochsetzsteller 20 kann also beispielsweise derart gesteuert werden, dass immer dann, wenn der Zwischenkreiskondensator Energie benötigt, das Stellerschaltelement 22 gesperrt wird und dass immer dann, wenn der Zwischenkreiskondensator 23 ausreichend geladen ist, das Stellerschaltelement 22 leitend geschaltet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass dem Zwischenkreiskondensator 23 über die Ausgangsdiode 21 im zeitlichen Mittel immer der Strom zufließt, der ihm über die in 6 nicht dargestellte, an den Ausgangsklemmen 24a, 24b angeschlossene Last entnommen wird. Umgekehrt stellt sich an den Speiseknoten 14a, 14b des Hochsetzstellers im zeitlichen Mittel ein der relativen Ausschaltdauer des Stellerschaltelements 22 entsprechender Bruchteil der Zwischenkreisspannung UZK als Gleichspannung Uin ein. Zwischen den Eingangsklemmen 9a, 9b des Brückengleichrichters 9 steht die Spannung Uin·sgn(Isp) an. 6 for example, shows a boost converter 20 which is designed to be fed to its feeding node 14a . 14b standing by current I in at its output terminals 24a . 24b to generate the DC voltage U ZK . The boost converter 20 For example, an output diode 21 which, between the first feeding node 14a and the first output terminal 24a is coupled. The first feeding node 14a is with the second supply node 14b also via an actuator switch element 22 , Between the output terminals 24a . 24b the boost converter is also an intermediate circuit capacitor 23 coupled. The DC link capacitor 23 may be designed to be through the output diode 21 and the actuator switch element 22 to buffer generated current pulses and so at the output of the boost converter 20 to produce a smoothed DC voltage U ZK . Is the actuator switching element 22 conductive, so the input current I flows in the boost converter 20 via this actuator switching element 22 , The boost converter 20 and the bridge rectifier 9 represent in this switching state is a short circuit, the input voltage U in the boost converter 20 is equal to zero and there is no energy in the DC link capacitor 23 fed. Is the actuator switching element 22 locked, so the input current I in the boost converter 20 via the output diode 21 and the DC link capacitor 23 flow. The input voltage U in of the boost converter 20 is then equal to U ZK equal to zero and the .Zwischenkreiskondensator 23 is the electric power | I sp | · U ZK from the boost converter 20 supplied, the boost converter 20 Thus, for example, it is possible to control such that whenever the intermediate circuit capacitor requires energy, the actuator switching element 22 is locked and that whenever the DC link capacitor 23 is sufficiently charged, the actuator switching element 22 is switched on. This ensures that the DC link capacitor 23 via the output diode 21 in the temporal mean always the current flows to him over the in 6 not shown, at the output terminals 24a . 24b connected load is removed. Conversely, turns to the feeding knot 14a . 14b the boost converter in the time average one of the relative turn-off of the actuator switching element 22 corresponding fraction of the intermediate circuit voltage U ZK as DC voltage U in a. Between the input terminals 9a . 9b of the bridge rectifier 9 is the voltage U in · sgn (I sp ).

7 und 8 zeigen weitere Beispiele für eine Gleichspannungseingangsstufe 27a bzw. 27b, welche jeweils im Gegensatz zu dem Hochsetzsteller 20 in 6 potentialtrennend ausgebildet sind. Dabei sind die Speiseknoten 14a und 14b jeweils über eine Synchronrichterschaltung mit einem Transformator 28a bzw. 28b gekoppelt. Die Gleichspannungseingangsstufe 27a in 7 umfasst dabei einen Synchronrichter 25a in Vollbrückenschaltung, welcher einen Transformator 28a primärseitig mit dem wechselgerichteten Strom Iin, also wahlweise mit dem Strom Iin, –Iin oder Null, speist, wobei der Transformator 28a wiederum einen sekundärseitigen Vollbrückengleichrichter 26a mit dem entsprechend übersetzten Wechselstrom versorgt. Der Vollbrückengleichrichter 26a lädt dann den Zwischenkreiskondensator 23 mit gepulstem Gleichstrom zu Bereitstellung der Gleichspannung UZK. In 8 hingegen ist die Gleichspannungseingangsstufe 27a ein Synchronrichter 25b in Halbbrückenschaltung, welcher einen Transformator 28b mit Mittelabgriff aus dem ersten Speiseknoten 14a speist. Der andere Speiseknoten 14b ist dabei mit dem primärseitigen Mittelabgriff des Transformators 28b gekoppelt. Der Transformator 28b speist wiederum sekundärseitig einen Halbbrückengleichrichter 26b, der an seinem Ausgang entweder den Strom 0 oder den entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 28b übersetzten Eingangsstrom Iin der Gleichspannungseingangsstufe 27b ausgibt. Auf diese Art kann der Zwischenkreiskondensator 23 mit den zur Bereitstellung der Gleichspannung UZK erforderlichen Strompulsen versorgt werden. Die Gleichspannungseingangsstufen 27a bzw. 27b in 7 und 8 bilden dabei jeweils potentialtrennende Durchflusswandler. 7 and 8th show further examples of a DC input stage 27a respectively. 27b , which in each case in contrast to the boost converter 20 in 6 are formed potential separation. These are the feeding knots 14a and 14b each via a synchronizer circuit with a transformer 28a respectively. 28b coupled. The DC input stage 27a in 7 includes a synchronous judge 25a in full bridge circuit, which is a transformer 28a primary side with the alternating current I in , so either with the current I in , -I in or zero, feeds, the transformer 28a turn a secondary-side full-bridge rectifier 26a supplied with the correspondingly translated alternating current. The full-bridge rectifier 26a then loads the DC link capacitor 23 with pulsed direct current to provide the DC voltage U ZK . In 8th whereas the DC input stage is 27a a synchronizer 25b in half-bridge circuit, which is a transformer 28b with center tap from the first feed node 14a fed. The other feeding knot 14b is doing with the primary-side center tap of the transformer 28b coupled. The transformer 28b in turn feeds a half-bridge rectifier on the secondary side 26b which at its output either the current 0 or according to the transmission ratio of the transformer 28b translated input current I in the DC input stage 27b outputs. In this way, the DC link capacitor 23 be supplied with the necessary for the provision of the DC voltage U ZK current pulses. The DC input stages 27a respectively. 27b in 7 and 8th each form potential-separating flow transducers.

Die Stellerschaltelemente 22 sowie die Schaltelemente der Synchronrichter 25a, 25b können beispielsweise Leistungshalbleiterschalter aufweisen, wie zum Beispiel einen MOSFET-Schalter oder einen IGBT-Schalter. Beispielsweise können für das Stellerschaltelement 22 sowie die Schaltelemente der Synchronrichter 25a, 25b n-Kanal-IGBTs verwendet werden, welche im Normalzustand gesperrt sind. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jeder andere Typ von Leistungshalbleiterschaltern für das Stellerschaltelement 22 sowie die Schaltelemente der Synchronrichter ebenso eingesetzt werden kann.The actuator switching elements 22 as well as the switching elements of the synchronous converter 25a . 25b For example, they may include power semiconductor switches, such as a MOSFET switch or an IGBT switch. For example, for the actuator switching element 22 as well as the switching elements of the synchronous converter 25a . 25b n-channel IGBTs are used, which are disabled in the normal state. It should be understood, however, that any other type of power semiconductor switches for the actuator switch element 22 as well as the switching elements of the synchronous converter can also be used.

4 und 5 zeigen Systeme 300 bzw. 400 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung. Die Systeme 300 und 400 unterscheiden sich von dem System 200 im Wesentlichen darin, dass der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 weiterhin zwei Ladeschaltungsanschlüsse 8a und 8b in Reihe zu den Speiseknoten 14a und 14b aufweist, über die eine Ladeschaltung angeschlossen werden kann. In diesem Fall ist der Speiseknoten 14b nicht mit dem Ausgangsknoten 9d des Brückengleichrichters 9 gekoppelt, sondern mit dem Ladeschaltungsanschluss 8b, und der Ausgangsknoten 9d des Brückengleichrichters 9 ist mit dem Ladeschaltungsanschluss 8a gekoppelt. Alternativ können die Ladeschaltungsanschlüsse 8a, 8b auch zwischen den Ausgangsknoten 9c des Brückengleichrichters 9 und den Speiseknoten 14a gekoppelt sein. Die Ladeschaltung kann an ihren Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b mit dem Strom Iin = |Isp| belastet und dazu ausgelegt sein, eine Ladegleichspannung UL bzw. eine pulsierende Ladespannung mit dem Mittelwert UL für die Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichereinrichtung 1 bereitzustellen. Ist keine Ladeschaltung an dieser Stelle vorgesehen, so sind die Ladeschaltungsanschlüsse 8a und 8b leitend miteinander verbunden. Zudem können die Systeme 300 und 400 auch ohne Gleichspannungswandler implementiert werden, das heißt, die Speiseknoten 14a und 14b sind in diesen Fällen leitend miteinander verbunden und der Brückengleichrichter 9 dient ausschließlich der Einspeisung von Ladeenergie in die Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichereinrichtung 1. 4 and 5 show systems 300 respectively. 400 with an energy storage device 1 and a DC power supply circuit 8th according to further embodiments of the invention. The systems 300 and 400 differ from the system 200 essentially, that of the DC power supply circuit 8th furthermore two charging circuit connections 8a and 8b in line with the feeding knots 14a and 14b has, over which a charging circuit can be connected. In this case, the feed node 14b not with the starting node 9d of the bridge rectifier 9 coupled but with the charging circuit connection 8b , and the starting node 9d of the bridge rectifier 9 is with the charging circuit connection 8a coupled. Alternatively, the charging circuit terminals 8a . 8b also between the output nodes 9c of the bridge rectifier 9 and the feeding knot 14a be coupled. The charging circuit may be at its charging circuit terminals 8a . 8b with the current I in = | I sp | loaded and designed to be a DC charging voltage U L and a pulsating charging voltage with the mean value U L for the energy storage cell modules 5 the energy storage device 1 provide. If no charging circuit is provided at this point, then the charging circuit connections 8a and 8b conductively connected. In addition, the systems can 300 and 400 also be implemented without DC-DC converter, that is, the feeding nodes 14a and 14b are conductively connected in these cases and the bridge rectifier 9 is used exclusively for feeding in charging energy into the energy storage cell modules 5 the energy storage device 1 ,

Die Ladeschaltung ist in den Systemen 300 und 400 derart in Reihe zu dem Gleichspannungswandler gekoppelt, dass eine Ausgabespannung UL der Ladeschaltung entgegengesetzt zu der Eingangsspannung UZK des Gleichspannungswandlers gepolt ist.The charging circuit is in the systems 300 and 400 coupled in series with the DC-DC converter such that an output voltage U L of the charging circuit is polarized opposite to the input voltage U ZK of the DC-DC converter.

Im System 300 der 4 weist der Brückengleichrichter 9 mindestens zwei Brückenkoppelschalter 17 auf, welche jeweils in einen der Brückenhalbzweige 6b und 6d in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode 10 geschaltet sind. Dadurch wird es möglich, Ladeenergie in die Energiespeichereinrichtung 1 einzuspeisen, wenn die Energiespeichereinrichtung 1 nicht zur Versorgung der elektrischen Maschine 2 eingesetzt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Laden durch die Ladeschaltung im Stillstand eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit dem System 300 erfolgen soll. Hierzu gibt die Ladeschaltung an ihren Ladeschaltungsanschlüssen eine Spannung mit einem Gleichanteil UL aus, der größer ist. Als der Gleichanteil Uin der Spannung zwischen den Speiseknoten 14a und 14b. Um einen Kurzschluss über den Brückengleichrichter 9 zu verhindern, werden die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhabzweigen 6b, 6d gesperrt, so dass der Ausgangsstrom der Ladeschaltung über die Brückenhalbzweige 6a und 6c fließen muss und sich so ein negativer Sternpunktstrom Isp einstellt.In the system 300 of the 4 has the bridge rectifier 9 at least two bridge coupling switches 17 on, which in each case in one of the bridge half branches 6b and 6d in series with the respective rectifier diode 10 are switched. This makes it possible to charge energy into the energy storage device 1 feed when the energy storage device 1 not to supply the electric machine 2 is used. This may be the case, for example, when the charging by the charging circuit at standstill of an electrically powered vehicle with the system 300 should be done. For this purpose, the charging circuit outputs at its charging circuit terminals a voltage with a DC component U L , which is larger. As the DC component U in the voltage between the feeding nodes 14a and 14b , To make a short circuit across the bridge rectifier 9 To prevent the bridge coupling switches 17 in the bridgehead branches 6b . 6d locked so that the output current of the charging circuit across the bridge half-branches 6a and 6c must flow and so sets a negative neutral point current I sp .

Damit dieser Strom auf einem gewünschten Wert gehalten wird und nicht unkontrolliert ansteigt, muss an den Energieversorgungszweigen Z der Energieversorgungseinrichtung die positive Ausgangsspannung UL – Uin eingestellt werden, so dass den Energieversorgungszweigen Z und folglich den Energiespeichermodulen 5 elektrische Energie zugeführt wird. Im Betrieb der elektrischen Maschine 2 müssen die Brückenkoppelschalter 17 zumindest immer dann leitend geschaltet sein, wenn der Sternpunktstrom Isp der Maschine 2 ein positives Vorzeichen aufweist. Weist der Sternpunktstrom Isp der Maschine ein negatives Vorzeichen auf, können die Brückenkoppelschalter wahlweise leitend oder gesperrt geschaltet werden. Werden sie gesperrt geschaltet, so ist in den Zeitintervallen mit negativem Sternpunktstrom Isp der elektrischen Maschine sogar ein Laden durch Anlegen einer Spannung an den Ladespannungsabgriffen 8a, 8b möglich, deren Gleichanteil UL größer ist als der Gleichanteil der Spannung Uin zwischen den Speiseknoten 14a, 14b.In order for this current to be kept at a desired value and not rise uncontrollably, the positive output voltage U L - U in must be set at the energy supply branches Z of the energy supply device, so that the energy supply branches Z and consequently the energy storage modules 5 electrical energy is supplied. In operation of the electric machine 2 need the bridge coupling switch 17 at least always be switched on when the neutral point current I sp of the machine 2 has a positive sign. If the star point current I sp of the machine has a negative sign, the bridge coupling switches can be switched to either conducting or blocking. If they are switched off, then in the time intervals with negative star point current I sp of the electric machine even a charging by applying a voltage to the charging voltage taps 8a . 8b possible, whose DC component U L is greater than the DC component of the voltage U in between the supply node 14a . 14b ,

Alternativ können die mindestens zwei Brückenkoppelschalter 17 auch in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c jeweils in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode 10 geschaltet sein. Die Funktionsweise dieser Schaltung lässt sich aus der zuvor geschilderten Funktionsweise der Schaltung gemäß 4 leicht ableiten, es ergibt sich beim Laden nun lediglich ein positiver Sternpunktstrom Isp und an den Energieversorgungszweigen Z muss die negative Ausgangsspannung Uin – UL eingestellt werden, um den Sternpunktstrom Isp auf einem gewünschten Wert zu halten.Alternatively, the at least two bridge coupling switches 17 also in the bridge half-branches 6a . 6c each in series with the respective rectifier diode 10 be switched. The operation of this circuit can be determined from the above-described operation of the circuit according to 4 easily derive, it now results in charging only a positive neutral point current I sp and at the power supply branches Z, the negative output voltage U in - U L must be set to keep the neutral point current I sp at a desired value.

Soll das Laden auch während des Betriebs der elektrischen Maschine 2 erfolgen, beispielsweise während der Fahrt eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, kann das System 400 der 5 eingesetzt werden. Hierbei weist der Brückengleichrichter 9 vier Brückenkoppelschalter 17 auf, welche jeweils in die Brückenhalbzweige 6a, 6b, 6c, 6d in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode 10 geschaltet sind. Übersteigt der Gleichanteil UL der Spannung zwischen den Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b den Gleichanteil Uin der Spannung zwischen den Speiseknoten 14a, 14b, so kann durch geeignetes Schalten der Brückenkoppelschalter 17 verhindert werden, dass ein Kurzschluss über die Ausgangsknoten 9c, 9d des Brückengleichrichters 9 entsteht. Hierzu sind bei positivem Vorzeichen des Sternpunktstroms Isp die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c zu sperren und es sind die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6b, 6d leitend zu schalten. Bei negativem Vorzeichen des Sternpunktstroms Isp sind entsprechend die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6b, 6d zu sperren und es sind die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c leitend zu schalten. im Normalbetrieb des Systems 400 sollte der Stromflusspfad für den Sternpunktstrom Isp vom Eingangsknoten 9a zum Eingangsknoten 9b des Brückengleichrichters nicht komplett aufgetrennt werden, das heißt, dass ein Paar von Brückenkoppelschaltern in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c bzw. 6b, 6d leitend geschaltet sein muss. Ist die Ladegleichspannung UL kleiner als der Gleichanteil Uin der Spannung zwischen den Speiseknoten 14a, 14b oder ist die Ladegleichspannung UL gleich 0, so können auch alle vier Brückenkoppelschalter 17 leitend geschaltet werden.Should charging even during operation of the electric machine 2 take place, for example while driving an electrically powered vehicle, the system 400 of the 5 be used. Here, the bridge rectifier 9 four bridge coupling switches 17 on, which in each case in the bridge half branches 6a . 6b . 6c . 6d in series with the respective rectifier diode 10 are switched. The DC component U L of the voltage between the charging circuit terminals exceeds 8a . 8b the DC component U in the voltage between the supply nodes 14a . 14b , so can by suitable switching of the bridge coupling switch 17 prevents a short circuit across the output nodes 9c . 9d of the bridge rectifier 9 arises. For a positive sign of the neutral point current I sp, the bridge coupling switches are for this purpose 17 in the bridge half-branches 6a . 6c to lock and it is the bridge coupling switch 17 in the bridge half-branches 6b . 6d to turn on. With a negative sign of the neutral point current I sp , the bridge coupling switches are correspondingly 17 in the bridge half-branches 6b . 6d to lock and it is the bridge coupling switch 17 in the bridge half-branches 6a . 6c to turn on. in normal operation of the system 400 should the current flow path for the neutral point current I sp from the input node 9a to the entrance node 9b of the bridge rectifier, that is, a pair of bridge coupling switches in the bridge half branches 6a . 6c respectively. 6b . 6d must be switched on. If the charge voltage U L is less than the direct component U in the voltage between the supply node 14a . 14b or is the DC charging voltage U L equal to 0, so can all four bridge coupling switch 17 be switched on.

Die 9 und 10 zeigen schematische Darstellungen von Ladeschaltungen 30 bzw. 40, welche beispielsweise zum Laden eines oder mehrerer Energieversorgungszweige Z einer Energiespeichereinrichtung 1 und insbesondere für die Speisung der Ladeschaltungsanschlüsse 8a und 8b eingesetzt werden können.The 9 and 10 show schematic representations of charging circuits 30 respectively. 40 which, for example, for charging one or more power supply branches Z of an energy storage device 1 and in particular for feeding the charging circuit terminals 8a and 8b can be used.

9 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 30, welche Eingangsanschlüsse 36a, 36b aufweist, an denen eine Eingangsgleichspannung UN angelegt werden kann. Die Eingangsgleichspannung UN kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Gleichspannungswandler, gesteuerte oder geregelte Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC, „power factor correction“) oder dergleichen. Die Eingangsgleichspannung UN kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz oder durch einen Reichweitenvergrößerer („Range Extender“) bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 30 kann weiterhin einen Eingangskondensator 35 aufweisen, über welchem die Eingangsgleichspannung UN abgreifbar ist und der die Rückwirkung von pulsierenden Strömen sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung 30 oder von Schaltvorgängen in der Ladeschaltung 30 selbst auf die Eingangsgleichspannung UN erheblich reduziert. An Ladeschaltungsanschlüssen 8a und 8b der Ladeschaltung 30 kann eine Ausgangsspannung der Ladeschaltung 30 abgegriffen werden, welche zum Laden einer angeschlossenen Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 3 oder eines Energieversorgungszweigs Z einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 3 bis 5 dargestellt, dienen kann. Der Ausgangsstrom IL der Ladeschaltung 30 ist in diesem Fall gleich dem gleichgerichteten Sternpunktstrom Iin = |Isp| der elektrischen Maschine 2. Erfolgt das Laden simultan zum Betrieb der elektrischen Maschine 2, so ist der Ausgangsstrom IL der Ladeschaltung durch das in der elektrischen Maschine 2 eingestellte Stromsystem vorgegeben und somit eingeprägt. 9 shows a schematic representation of a charging circuit 30 , Which input terminals 36a . 36b has, at which an input DC voltage U N can be applied. The input DC voltage U N can be generated by circuit arrangements (not shown), for example DC-DC converters, controlled or regulated rectifiers with power factor correction (PFC) or the like. The input DC voltage U N can be provided, for example, by a power supply network connected on the input side or by a range extender. The charging circuit 30 can still have an input capacitor 35 over which the input DC voltage U N can be tapped and the reaction of pulsating currents both on the input and on the output side of the charging circuit 30 or switching operations in the charging circuit 30 even considerably reduced to the DC input voltage U N. On charging circuit connections 8a and 8b the charging circuit 30 may be an output voltage of the charging circuit 30 which are used for charging a connected energy storage device, for example a series of energy storage modules 3 or a power supply branch Z of an energy storage device 1 like in the 3 to 5 represented, can serve. The output current I L of the charging circuit 30 in this case is equal to the rectified neutral point current I in = | I sp | the electric machine 2 , If charging takes place simultaneously with the operation of the electrical machine 2 , Thus, the output current I L of the charging circuit by that in the electric machine 2 preset current system and thus impressed.

Die Ladeschaltung 30 weist einen Halbleiterschalter 33 und eine Freilaufdiode 39a auf, welche einen Tiefsetzsteller implementieren. Als Stellgröße für den Ladestrom IL der Ladeschaltung 30 kann beispielsweise die Ausgangsspannung der zu ladenden Energiespeichereinrichtung 1, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 3 oder eines Energieversorgungszweigs Z der Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 3 bis 5 dargestellt, oder alternativ das über den Halbleiterschalter 33 implementierte Tastverhältnis des Tiefsetzstellers dienen. Es kann auch möglich sein, die über dem Zwischenkreiskondensator 35 anliegende Eingangsspannung UN als Stellgröße für den Ladestrom IL zu verwenden, sofern diese Eingangsspannung UN verstellbar ist. Der Tiefsetzsteller kann beispielsweise auch in einem Betriebszustand mit dem konstanten Tastverhältnis von 1 betrieben werden, so dass der Halbleiterschalter 33 dauerhaft geschlossen bleiben kann. Es kann dabei auch möglich sein, auf den Halbleiterschalter 33 zu verzichten und diesen durch eine leitende Verbindung zu ersetzen.The charging circuit 30 has a semiconductor switch 33 and a freewheeling diode 39a which implement a buck converter. As a manipulated variable for the charging current I L of the charging circuit 30 For example, the output voltage of the energy storage device to be charged 1 For example, a number of energy storage modules 3 or a power supply branch Z of the energy storage device 1 like in the 3 to 5 represented, or alternatively via the semiconductor switch 33 Implemented duty cycle of the buck converter serve. It may also be possible to use the DC link capacitor 35 applied input voltage U N to use as a control variable for the charging current I L , provided that this input voltage U N is adjustable. The buck converter can be operated, for example, in an operating state with the constant duty cycle of 1, so that the semiconductor switch 33 can remain permanently closed. It may also be possible on the semiconductor switch 33 to renounce and replace it with a conductive connection.

10 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 40, welche Eingangsanschlüsse 46a, 46b aufweist, an denen eine Eingangswechselspannung eingespeist werden kann. Die Eingangswechselspannung kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Wechselrichtervollbrücken oder dergleichen. Die Eingangswechselspannung weist vorzugsweise einen rechteckförmigen lückenden oder nicht lückenden Verlauf und eine hohe Grundfrequenz auf. Die Eingangswechselspannung kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz oder einen Reichweitenvergrößerer („Range-Extender“) mit jeweils nachgeschalteter Wechsel- oder Umrichterbrücke bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 40 kann weiterhin einen Transformator 45 aufweisen, dessen Primärwicklung mit den Eingangsanschlüssen 46a, 46b gekoppelt ist. Die Sekundärwicklung des Transformators 45 kann mit einer Vollbrückengleichrichterschaltung 44 aus vier Dioden gekoppelt sein, an deren Ausgang eine pulsierende Gleichspannung abgegriffen werden kann. Eine Variation der Intervalllänge der pulsierenden Gleichspannung kann über eine Variation der Zeitintervalle erfolgen, in denen die an der Primärwicklung des Transformators 45 anliegende Eingangswechselspannung und damit auch die entsprechende Sekundärspannung an der Sekundärwicklung des Transformators 45 den Momentanwert Null aufweisen. An den Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b der Ladeschaltung 40 kann eine Ausgangsspannung der Ladeschaltung 40 abgegriffen werden, welche zum Laden beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines Zweigs einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 3 bis 5 dargestellt, dienen kann. 10 shows a schematic representation of a charging circuit 40 , which input terminals 46a . 46b has, at which an input AC voltage can be fed. The input AC voltage can be generated by (not shown) circuit arrangements, such as inverter full bridges or the like. The input AC voltage preferably has a rectangular gap or gap pattern and a high fundamental frequency. The AC input voltage can be provided, for example, by a power supply network connected on the input side or a range extender ("range extender"), each having a downstream AC or converter bridge. The charging circuit 40 can continue a transformer 45 whose primary winding with the input terminals 46a . 46b is coupled. The secondary winding of the transformer 45 can with a full bridge rectifier circuit 44 be coupled from four diodes, at the output of a pulsating DC voltage can be tapped. A variation of the interval length of the pulsating DC voltage can be done via a variation of the time intervals in which the on the primary winding of the transformer 45 applied AC input voltage and thus also the corresponding secondary voltage at the secondary winding of the transformer 45 have the instantaneous value zero. At the charging circuit terminals 8a . 8b the charging circuit 40 may be an output voltage of the charging circuit 40 which are used for charging, for example, a number of energy storage modules 5 or a branch of an energy storage device 1 like in the 3 to 5 represented, can serve.

Die Ladeschaltung 40 weist eine Freilaufdiode 42 und einen Halbleiterschalter 43 auf, die als Tiefsetzsteller für die pulsierende Gleichspannung der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 dienen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, eine Wandlerdrossel 41 zur Glättung der Ladespannung in die Ladeschaltung 40 zu integrieren. Üblicherweise kann diese Wandlerdrossel auf Grund der Induktivität der ebenfalls vom Ladestrom IL durchflossenen elektrischen Maschine aber entfallen. Als Stellgrößen für den Ladestrom IL können beispielsweise die Ausgangsspannung der zu ladenden Energiespeichermodule 3 oder eines oder mehrerer Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 3 bis 5 dargestellt und/oder der Gleichanteil der pulsierenden Gleichspannung am Ausgang des Vollbrückengleichrichters 44 und/oder die relative Einschaltdauer des Halbleiterschalters 43 verwendet werden.The charging circuit 40 has a freewheeling diode 42 and a semiconductor switch 43 on, as a buck converter for the pulsating DC voltage of the full-bridge rectifier circuit 44 serve. It can also be provided, a converter choke 41 for smoothing the charging voltage in the charging circuit 40 to integrate. Usually, however, this converter choke can be dispensed with on account of the inductance of the electric machine through which the charging current I L also flows. The manipulated variables for the charging current I L , for example, the output voltage of the energy storage modules to be charged 3 or one or more energy supply branches Z of the energy storage device 1 like in the 3 to 5 represented and / or the DC component of the pulsating DC voltage at the output of the full-bridge rectifier 44 and / or the duty cycle of the semiconductor switch 43 be used.

In einer weiteren Ausführungsform kann auf den Halbleiterschalter 43 ersatzlos verzichtet und dieser durch eine leitende Verbindung ersetzt werden. In diesem Fall liegt die pulsierende Ausgangsspannung des Vollbrückengleichrichters 44 unmittelbar an den Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b an und stellt somit die Ladespannung dar.In a further embodiment may be on the semiconductor switch 43 replaced without replacement and this be replaced by a conductive connection. In this case, the pulsating output voltage of the full-bridge rectifier lies 44 directly on the charging circuit connections 8a . 8b and thus represents the charging voltage.

In einer Weiterbildung dieser weiteren Ausführungsform kann zusätzlich auf die Freilaufdiode 42 ersatzlos verzichtet werden. In diesem Fall übernehmen die Dioden der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 die Funktion der Freilaufdiode 42 zusätzlich. Dadurch wird ein Bauelement gespart, im Gegenzug aber der Wirkungsgrad der Ladeschaltung 40 verringert.In a further development of this further embodiment, in addition to the freewheeling diode 42 be dispensed without replacement. In this case, the diodes adopt the full-bridge rectifier circuit 44 the function of the freewheeling diode 42 additionally. As a result, a component is saved, in return, however, the efficiency of the charging circuit 40 reduced.

Im Ladebetrieb, das heißt bei aktivierter Ladeschaltung 30 bzw. 40 im sogenannten Range-Extender-Betrieb, können einzelne Halbleiterschalter 17 des Brückengleichrichters 9 gesperrt werden, damit der Ladestrom IL der Ladeschaltung 30 bzw. 40 stets über die momentan für eine Energiezuführung in die Energiespeichereinrichtung 1 geeigneten Ausgangsanschlüsse 1a, 1b gegen die aktuell dazwischen anstehende Spannung getrieben werden kann und kein Kurzschluss zwischen den Ausgangsknoten 9c, 9d des Brückengleichrichters 9 entsteht.In charging mode, ie when the charging circuit is activated 30 respectively. 40 in the so-called range extender mode, can single semiconductor switches 17 of the bridge rectifier 9 be locked so that the charging current I L of the charging circuit 30 respectively. 40 always on the moment for an energy supply to the energy storage device 1 suitable output connections 1a . 1b can be driven against the current intermediate voltage and no short circuit between the output node 9c . 9d of the bridge rectifier 9 arises.

Alle Schaltelemente der angegebenen Schaltungsanordnungen können Leistungshalbleiterschalter umfassen, beispielsweise normal sperrende oder normal leitende n- oder p-Kanal-MOSFET-Schalter oder entsprechende IGBT-Schalter. Bei der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern mit definierter und ausreichender Rückwärtssperrfähigkeit kann auf die entsprechenden Reihenschaltungen mit Dioden verzichtet werden.All of the switching elements of the specified circuit arrangements may comprise power semiconductor switches, for example normal-blocking or normally-conductive n- or p-channel MOSFET switches or corresponding IGBT switches. When using power semiconductor switches with a defined and sufficient reverse blocking capability, the corresponding series connections with diodes can be dispensed with.

Der gleichgerichtete Sternpunktstrom wird durch den Brückengleichrichter 9 der 3 bis 5 über die Speiseknoten 14a und 14b und damit über den angeschlossenen Gleichspannungswandler geleitet. Durch Steuern oder Takten der Eingangsspannung uin an den Speiseknoten 14a, 14b kann der Energiefluss zum Gleichspannungswandler gesteuert werden. The rectified neutral point current is through the bridge rectifier 9 of the 3 to 5 over the feeding knots 14a and 14b and thus passed over the connected DC-DC converter. By controlling or clocking the input voltage u in to the supply node 14a . 14b the flow of energy to the DC-DC converter can be controlled.

Damit der Betrieb der elektrischen Maschine 2 durch die Energieentnahme aus der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 nicht beeinträchtigt wird, können die Ausgangsspannungen der einzelnen Energieversorgungszweige Z insgesamt um die mittlere Eingangsspannung Uin des Gleichspannungswandlers angehoben werden. Dadurch wird den Energiespeicherzellenmodulen 5 der Energiespeichereinrichtung 1 insgesamt zusätzlich die an den Speiseknoten 14a, 14b abgegriffene Leistung entnommen. In Betriebszuständen, in denen die elektrische Maschine 2 normalerweise komplett stromlos wäre, beispielsweise im Leerlauf, kann die Maschine 2 stattdessen mit einem geringen Blindstrom (cos φ ≈ 0) betrieben werden.Thus the operation of the electric machine 2 by the energy extraction from the DC power supply circuit 8th is not affected, the output voltages of the individual power supply branches Z can be raised in total by the average input voltage U in the DC-DC converter. This will be the energy storage cell modules 5 the energy storage device 1 altogether in addition to the feeding knots 14a . 14b tapped power taken. In operating conditions in which the electric machine 2 normally would be completely de-energized, for example, at idle, the machine can 2 instead be operated with a low reactive current (cos φ ≈ 0).

Bei zugeschalteter Ladeschaltung 30 bzw. 40 kann die Ladeschaltung als steuerbare Spannungsquelle betrieben werden, welche eine veränderbare bzw. taktbare Ladespannung uL bereitstellt. Da die Ladeschaltung 30 bzw. 40 gegenüber dem Gleichspannungswandler an den Speiseknoten 14a, 14b mit gegensinniger Polung geschaltet wird, wird Energie erst dann in die Energiespeichereinrichtung 1 eingespeist, wenn der Gleichanteil UL der Ladespannung uL den Gleichanteil Uin der Eingangsspannung uin des Gleichspannungswandlers übersteigt. In Abhängigkeit vom Vorzeichen des Sternpunktstroms Isp in der Sammelschiene 2c kann dann jeweils ein Brückenkoppelschalterpaar 17 des Brückengleichrichters 9 angesteuert werden, um die Ladeenergie der Ladeschaltung 30 bzw. 40 abzüglich der von der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 entnommenen Energie in die Anordnung aus Energiespeichereinrichtung 1 und elektrischer Maschine 2 einzuspeisen. Wiederum kann der Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung 1 durch entsprechendes Anheben oder Absenken der Ausgangsspannungen aller Energieversorgungszweige Z an die Ladegleichspannung UL angepasst werden, ohne dass der Betrieb der elektrischen Maschine 2 beeinträchtigt wird.When the charging circuit is switched on 30 respectively. 40 For example, the charging circuit can be operated as a controllable voltage source, which provides a variable or clockable charging voltage u L. Because the charging circuit 30 respectively. 40 opposite the DC-DC converter to the supply node 14a . 14b is switched with opposite polarity, energy is only then in the energy storage device 1 fed when the DC component U L of the charging voltage u L exceeds the DC component U in the input voltage u in the DC-DC converter. Depending on the sign of the neutral point current I sp in the busbar 2c can then each have a Brückenkoppelschalterpaar 17 of the bridge rectifier 9 be controlled to the charging energy of the charging circuit 30 respectively. 40 less that from the DC power supply circuit 8th taken energy in the arrangement of energy storage device 1 and electric machine 2 feed. Again, the operating state of the energy storage device 1 be adapted by appropriate raising or lowering of the output voltages of all power supply branches Z to the DC charging voltage U L , without the operation of the electric machine 2 is impaired.

Soll in einer Notsituation sichergestellt werden, dass die elektrische Maschine 2 kein Drehmoment abgibt, kann im System 400 der 5 ein Notzustand durch Öffnen aller Brückenkoppelschalter 17 eingestellt werden, so dass der Stromfluss über den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2 sicher unterbunden wird. Vorzugsweise kann eine derartige Notabschaltung in einem Nulldurchgang des Sternpunktstroms erfolgen („zero current switching“).Should be ensured in an emergency situation that the electric machine 2 no torque can be in the system 400 of the 5 an emergency condition by opening all bridge coupling switches 17 be adjusted so that the current flow through the neutral point of the electric machine 2 safely prevented. Such an emergency shutdown can preferably take place in a zero crossing of the star point current ("zero current switching").

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Claims (12)

System (200; 300; 400) mit einer Energiespeichereinrichtung (1) und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung (8), wobei die Energiespeichereinrichtung (1) mindestens zwei Energieversorgungszweige (Z) aufweist, welche an einem ersten Ausgang jeweils mit mindestens einem Ausgangsanschluss (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) zur Erzeugung einer Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) und an einem zweiten Ausgang (1c) mit einer gemeinsamen Sammelschiene (2c) gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige (Z) eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist; und eine Koppeleinrichtung (7) mit einer Koppelbrückenschaltung aus Koppelelementen (7a, 7b, 7c, 7d), wobei die Koppelelemente (7a, 7b, 7c, 7d) dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig (Z) zu umgehen, und wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) aufweist: einen Brückengleichrichter (9), welcher zwei Eingangsanschlüsse (9a, 9b), die den Brückengleichrichter (9) in die Sammelschiene (2c) oder in eine der Ausgangsleitungen (2a, 2b) an den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) einkoppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse (9c, 9d) aufweist, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an zwei Speiseknoten (14a, 14b) der Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) auszugeben.System ( 200 ; 300 ; 400 ) with an energy storage device ( 1 ) and a DC power supply circuit ( 8th ), wherein the energy storage device ( 1 ) has at least two energy supply branches (Z), which at a first output in each case with at least one output terminal (Z) 1a . 1b ) of the energy storage device ( 1 ) for generating an AC voltage at the output terminals ( 1a . 1b ) and at a second exit ( 1c ) with a common busbar ( 2c ), each of the power supply branches (Z) having a multiplicity of energy storage modules ( 3 ), each comprising: an energy storage cell module ( 5 ), which at least one energy storage cell ( 5a . 5k ) having; and a coupling device ( 7 ) with a coupling bridge circuit of coupling elements ( 7a . 7b . 7c . 7d ), wherein the coupling elements ( 7a . 7b . 7c . 7d ) are adapted to the energy storage cell module ( 5 ) selectively in the respective power supply branch (Z) or to bypass in the power supply branch (Z), and wherein the DC power supply circuit ( 8th ) comprises: a bridge rectifier ( 9 ), which has two input terminals ( 9a . 9b ), the bridge rectifier ( 9 ) in the busbar ( 2c ) or in one of the output lines ( 2a . 2 B ) at the output terminals ( 1a . 1b ) of the energy storage device ( 1 ) and two output ports ( 9c . 9d ) which are designed to supply a rectified current to two supply nodes ( 14a . 14b ) of the DC power supply circuit ( 8th ). System (200; 300; 400) nach Anspruch 1, wobei der Brückengleichrichter (9) mit seinen beiden Eingangsanschlüssen (9a, 9b) in die Sammelschiene (2c) eingekoppelt ist.System ( 200 ; 300 ; 400 ) according to claim 1, wherein the bridge rectifier ( 9 ) with its two input terminals ( 9a . 9b ) in the busbar ( 2c ) is coupled. System (200; 300; 400) nach Anspruch 1, wobei der Brückengleichrichter (9) vier Brückenhalbzweige (6a, 6b, 6c, 6d) aufweist, welche jeweils eine Gleichrichterdiode (10) aufweisen.System ( 200 ; 300 ; 400 ) according to claim 1, wherein the bridge rectifier ( 9 ) four bridge half-branches ( 6a . 6b . 6c . 6d ), each having a rectifier diode ( 10 ) exhibit. System (300; 400) nach Anspruch 3, wobei der Brückengleichrichter (9) mindestens zwei Brückenkoppelschalter (17) aufweist, welche jeweils in einen der Brückenhalbzweige (6a, 6b, 6c, 6d) in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode (10) geschaltet sind.System ( 300 ; 400 ) according to claim 3, wherein the bridge rectifier ( 9 ) at least two bridge coupling switches ( 17 ), which in each case in one of the bridge half branches ( 6a . 6b . 6c . 6d ) in series with the respective rectifier diode ( 10 ) are switched. System (400) nach Anspruch 4, wobei der Brückengleichrichter (9) vier Brückenkoppelschalter (17) aufweist, welche jeweils in die Brückenhalbzweige (6a, 6b, 6c, 6d) in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode (10) geschaltet sind.System ( 400 ) according to claim 4, wherein the bridge rectifier ( 9 ) four bridge coupling switches ( 17 ), which in each case in the bridge half branches ( 6a . 6b . 6c . 6d ) in series with the respective rectifier diode ( 10 ) are switched. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit: einem Gleichspannungswandler (20; 27a; 27b), welcher zwischen die zwei Speiseknoten (14a, 14b) gekoppelt ist.System ( 200 ; 300 ; 400 ) according to one of claims 1 to 5, further comprising: a DC-DC converter ( 20 ; 27a ; 27b ), which between the two feed nodes ( 14a . 14b ) is coupled. System (200; 300; 400) nach Anspruch 6, wobei der Gleichspannungswandler einen Hochsetzsteller (20) oder einen Durchflusswandler (27a; 27b) aufweist.System ( 200 ; 300 ; 400 ) according to claim 6, wherein the DC-DC converter comprises a step-up converter ( 20 ) or a forward converter ( 27a ; 27b ) having. System (300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) und eine Ladeschaltung (30; 40) aufweist, wobei die Ladeschaltung (30; 40) über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) in Reihe zu den Speiseknoten (14a; 14b) gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung (30; 40) dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule (5) der Energiespeichereinrichtung (1) bereitzustellen.System ( 300 ; 400 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the DC power supply circuit ( 8th ) two charging circuit terminals ( 8a . 8b ) and a charging circuit ( 30 ; 40 ), wherein the charging circuit ( 30 ; 40 ) via the two charging circuit terminals ( 8a . 8b ) in series with the feed nodes ( 14a ; 14b ), and wherein the charging circuit ( 30 ; 40 ) is adapted to a charging voltage for the energy storage cell modules ( 5 ) of the energy storage device ( 1 ). System (300; 400) nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) und eine Ladeschaltung (30; 40) aufweist, wobei die Ladeschaltung (30; 40) über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) in Reihe zu dem Gleichspannungswandler (20; 27a; 27b) gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung (30; 40) dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule (5) der Energiespeichereinrichtung (1) bereitzustellen.System ( 300 ; 400 ) according to one of claims 6 and 7, wherein the DC power supply circuit ( 8th ) two charging circuit terminals ( 8a . 8b ) and a charging circuit ( 30 ; 40 ), wherein the charging circuit ( 30 ; 40 ) via the two charging circuit terminals ( 8a . 8b ) in series with the DC-DC converter ( 20 ; 27a ; 27b ), and wherein the charging circuit ( 30 ; 40 ) is adapted to a charging voltage for the energy storage cell modules ( 5 ) of the energy storage device ( 1 ). System (300; 400) nach Anspruch 9, wobei die Ladeschaltung (30; 40) derart in Reihe zu dem Gleichspannungswandler (20; 27a; 27b) gekoppelt ist, dass eine Ausgabespannung der Ladeschaltung (30; 40) entgegengesetzt zu der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers (20; 27a; 27b) gepolt ist.System ( 300 ; 400 ) according to claim 9, wherein the charging circuit ( 30 ; 40 ) in series with the DC-DC converter ( 20 ; 27a ; 27b ), that an output voltage of the charging circuit ( 30 ; 40 ) opposite to the input voltage of the DC-DC converter ( 20 ; 27a ; 27b ) is poled. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (2) mit n Phasenanschlüssen, welche mit den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, wobei n ≥ 1.System ( 200 ; 300 ; 400 ) according to one of claims 1 to 10, further comprising: an n-phase electric machine ( 2 ) with n phase terminals connected to the output terminals ( 1a . 1b ) of the energy storage device ( 1 ), where n ≥ 1. System (200; 300; 400) nach Anspruch 11, wobei die n-phasige elektrische Maschine über einen herausgeführten Wicklungssternpunkt verfügt, welcher mit der Sammelschiene (2c) verbunden ist, und wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) zwischen den zweiten Ausgang (1c) der Energiespeichereinrichtung (1) und den Wicklungssternpunkt gekoppelt ist.System ( 200 ; 300 ; 400 ) according to claim 11, wherein the n-phase electric machine has a lead-out winding star point which is connected to the busbar (FIG. 2c ), and wherein the DC power supply circuit ( 8th ) between the second output ( 1c ) of the Energy storage device ( 1 ) and the winding star point is coupled.
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