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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere in einer Batteriedirektumrichterschaltung zur Stromversorgung elektrischer Maschinen.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
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1 beispielsweise zeigt die Einspeisung von Drehstrom in eine dreiphasige elektrische Maschine 101. Dabei wird über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule 105 in einer Traktionsbatterie 104 in Serie geschaltet.
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Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.
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In der Druckschrift
US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichspannungsquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert.
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BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen, wie in 1 gezeigt, auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können.
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Wenn defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen jedoch nicht mehr zur Spannungsversorgung des jeweiligen Energieversorgungsstrangs beitragen können bzw. sollen, richtet sich die im herkömmlichen Betrieb verfügbare Leistungsfähigkeit nach der geringsten der noch verbleibenden Maximalspannungen der Energieversorgungsstränge. Um weiterhin ein symmetrisches Drehfeld an den Ausgängen des BDIs erzeugen zu können, müssen bisher die Ausgangsspannungen der einzelnen Energieversorgungsstränge auf die geringste Maximalspannung aller Energieversorgungsstränge reduziert werden. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit und den verfügbaren Spannungsbereich des BDIs jedoch stark.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft daher gemäß einem Aspekt eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer dreiphasigen Versorgungsspannung, mit drei parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Jedes der Energiespeichermodule umfasst ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungszweig zu umgehen. Die Energiespeichereinrichtung weist weiterhin eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist den Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung zu bestimmen, und die Koppeleinrichtungen der zwei übrigen Energieversorgungszweige so anzusteuern, dass deren Ausgangsspannung aus der Summe aus einem symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag maxiaml der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der Energieversorgungszweige und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist, wobei der Phasenversatz zwischen den symmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der der Phasenversatz zwischen den asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 60° beträgt.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Aspekt ein System, mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine, drei Phasenleitungen, welche mit jeweils einem von drei Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine gekoppelt sind, und einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, wobei die Phasenleitungen mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer dreiphasigen Versorgungsspannung, welche drei parallel geschaltete Energieversorgungszweige, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, zum Erzeugen einer jeweiligen Ausgangsspannung an jeweiligen der Ausgangsanschlüsse aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Ermittelns des Energieversorgungszweigs mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung, und des Ansteuerns der übrigen zwei Energieversorgungszweige, so dass deren Ausgangsspannung aus der Summe aus einem symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag maximal der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der Energieversorgungszweige und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist, wobei der Phasenversatz zwischen den symmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der der Phasenversatz zwischen den asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 60° beträgt.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Batteriedirektumrichter für die Spannungsversorgung einer dreiphasigen elektrischen Maschine einzusetzen, bei dem die Erzeugung der Phasenspannungen derart ausgeglichen wird, dass Unterschiede in den maximalen Ausgangsspannungen in den einzelnen Energieversorgungszweigen durch geschickte Ansteuerung der einzelnen Energieversorgungszweige ausgeglichen werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Ausgangsspannungen der einzelnen Energieversorgungszweige im Raumzeigerdiagramm in symmetrische und asymmetrische Spannungsanteile aufgeteilt werden, und die asymmetrischen Spannungsanteile der noch leistungsfähigeren Energieversorgungszweige in ihrem Phasenversatz zueinander angepasst werden, um die mangelnde Leistungsfähigkeit des übrigen Energieversorgungszweigs zumindest teilweise zu kompensieren.
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Durch die Abhängigkeit der Differenzspannungen zwischen den Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige untereinander kann durch eine geeignete Ansteuerung der zwei Energieversorgungszweige mit höherer verbleibender Leistungsfähigkeit eine Versorgungsspannung mit entsprechender Phasenlage erzeugt werden, die eine Sternpunktverschiebung am Sternpunkt einer angeschlossenen elektrischen Maschine bewirkt. Durch diese (virtuelle) Sternpunktverschiebung kann ein symmetrisches Drehfeld über einen größeren Spannungsbereich aufrechterhalten werden, als es durch den Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung eigentlich möglich wäre.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass bei abweichenden maximalen Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige die notwendige Leistungsreduktion des Gesamtsystems gegenüber einer Ansteuerung aller Energieversorgungszweige, die von der jeweiligen Leistungsfähigkeit der anderen Energieversorgungszweige abhängig ist, geringer ausfällt. Dies stärkt die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems auch bei ungleichmäßiger Entladung der Energiespeichermodule, unterschiedlichen Alterungseffekten der Energiespeichermodule sowie defekten oder ausgefallenen Energiespeichermodulen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Energiespeichereinrichtung als Koppelelemente Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFET-Schalter, aufweisen. Es kann gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Koppelelemente in Vollbrückenschaltung ausgestaltet sind. In einer alternativen Ausführungsform können die Koppelelemente in Halbbrückenschaltung ausgestaltet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Spannungsversorgungssystems für eine dreiphasige elektrische Maschine;
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2 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls in Vollbrückenschaltung einer Energiespeichereinrichtung nach 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls in Halbbrückenschaltung einer Energiespeichereinrichtung nach 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Illustration eines Raumzeigerdiagramms für Spannungszeiger der Ausgangspannungen einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Illustration eines Raumzeigerdiagramms für modifizierte Spannungszeiger der Ausgangspannungen einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt ein System 200 zur Spannungswandlung von Gleichspannung, die durch m Energiespeichermodule 3 bereitgestellt wird, in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 200 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 9 drei Energieversorgungszweige gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b, 1c, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen sind. Beispielhaft dient das System 200 in 2 zur Speisung einer elektrischen Maschine 2. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Bereitstellung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird.
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Das System 200 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c bereitzustellen.
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Die Energieversorgungszweige können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden werden, welches in der dargestellten Ausführungsform in Bezug auf die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c der elektrischen Maschine 2 ein mittleres Potential führt. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Jeder der Energieversorgungszweige weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig in 2 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen.
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Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann.
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Beispielhafter Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 3 und 4 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Koppeleinrichtung 9 mit mehreren Koppelelementen 7 und 8. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a, 5n.
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Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5n, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5n in dem in 3 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5n ebenso möglich ist.
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Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 9 verbunden. Die Koppeleinrichtung 9 ist in 3 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7 und zwei Koppelelementen 8 ausgebildet. Die Koppelelemente 7 können dabei jeweils ein aktives Schaltelement 7a, beispielsweise einen Halbleiterschalter 7a, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode 7b aufweisen. In ähnlicher Weise können die Koppelelemente 8 dabei jeweils ein aktives Schaltelement 8a, beispielsweise einen Halbleiterschalter 8a, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode 8b aufweisen. Die Halbleiterschalter 7a und 8a können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden 7b und 8b auch jeweils in die Halbleiterschalter 7a und 8a integriert sein.
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Die Koppelelemente 7 und 8 in 10 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 6 in 2, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt bzw. im Energieversorgungszweig umgangen wird. Beispielsweise kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement 8a rechts unten und das aktive Schaltelement 7a links oben in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand bzw. Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, indem die beiden aktiven Schaltelemente 8a in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente 7a in offenem Zustand gehalten werden.
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Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 9 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs integriert werden.
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4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in 4 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 9 zwei statt vier Koppelelemente 7, 8 aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
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In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente 7a und 8a bzw. die Koppelelemente 7 und 8 als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
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Mit den aktiven Schaltelementen 7a und 8a bzw. den Koppelelementen 7 und 8 kann die Ausgangsspannung jedes der Energieversorgungszweige über eine geeignete Ansteuerung in Stufen von einem negativen Maximalwert bis hin zu einem positiven Maximalwert variiert werden. Die Abstufung der Spannungslevel ergibt sich hierbei in Abhängigkeit von der Stufung der einzelnen Energiespeicherzellenmodule 5. Um beispielsweise einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der Energiespeicherzellenmodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7, 8 eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5n bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7, 8 kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung 6 vornehmen, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann.
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Durch den Einsatz einer derartigen Energiespeichereinrichtung 1 ist es möglich, eine n-phasige Versorgungsspannung, beispielsweise für eine elektrische Maschine 2 bereitzustellen. Dazu können Phasenleitungen 2a, 2b, 2c mit jeweiligen der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c verbunden werden, wobei die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c ihrerseits mit Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 2 verbunden werden können. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 2 eine dreiphasige elektrische Maschine sein, zum Beispiel eine dreiphasige Drehfeldmaschine.
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Für eine dreiphasige elektrische Maschine 2 ist in 5 schematisch das Raumzeigerdiagramm der drei Phasenspannungen u, v und w gezeigt, welche durch eine Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c erzeugt werden. Dabei kann an einem ersten Ausgangsanschluss 1a beispielsweise die Phasenspannung u, an einem zweiten Ausgangsanschluss 1b beispielsweise die Phasenspannung v und an einem dritten Ausgangsanschluss 1c beispielsweise die Phasenspannung w erzeugt werden. Die Phasenspannungen u, v und w, welche einen relativen Phasenversatz von 120° zueinander aufweisen, können beispielsweise über Phasenleitungen 2a, 2b, 2c in die Phasenanschlüsse der dreiphasigen elektrischen Maschine 2 eingespeist werden, um eine dreiphasige Spannungsversorgung der elektrischen Maschine 2 zu gewährleisten.
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Im Falle abweichender Maximalamplituden der Phasenspannungen u, v und w, beispielsweise bedingt durch ungleichmäßige Entladung der Energiespeichermodule 3 oder durch den Ausfall einzelner Energiespeichermodule 3, sind die Raumzeiger unterschiedlich lang. Wie beispielhaft in 5 gezeigt, ist der Raumzeiger u derjenige der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |u|, der Raumzeiger w derjenige der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |w| und der Raumzeiger v derjenige der höchstmoglichen maximalen Ausgangsspannung aller Energieversorgungszweige. Für eine konventionelle Ansteuerung stünde in diesem Fall nun lediglich das Spannungsniveau |u| der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung zur Verfügung, das heißt, alle Energieversorgungszweige müssten in ihrer Phasenspannung auf das Niveau des Energieversorgungszweigs mit der geringsten Leistungsfähigkeit gedrosselt werden, um ein symmetrisches Drehfeld für die Versorgung einer elektrischen Maschine 2 zu gewährleisten. Dadurch würde eine erhebliche Leistungseinbuße in Kauf genommen werden müssen.
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Für dreiphasige Spannungsversorgungssysteme, in denen der Sternpunkt nicht kontaktiert wird, ergibt sich nun jedoch, dass die Summe der drei Phasenströme zu jedem Zeitpunkt Null ist, das heißt, dass sich die Ströme, welche über die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c in die elektrische Maschine 2 hineinfließen, zu jedem Zeitpunkt des Betriebs mit jenen aufheben, welche über die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c hinausfließen. Dies führt dazu, dass sich bei dreiphasigen Systemen ein Phasenstrom als Beziehung zwischen den beiden anderen Phasenströmen ausdrücken lässt. Entsprechendes gilt auch für die paarweisen Differenzspannungen zwischen jeweils zwei der drei Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 2. Es ist daher möglich, eine dreiphasige Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine 2 nur unter Verwendung zweier Energieversorgungszweige in einer Energiespeichereinrichtung bereitzustellen.
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Wenn man nun eine virtuelle Sternpunktverschiebung der Ausgabespannungen aller Energieversorgungszweige in Richtung des Spannungsniveaus des Energieversorgungszweigs mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung vornimmt, das heißt im Beispiel der 5 in Richtung der Phasenspannung u, kann man ein verschobenes Raumzeigersystem erhalten, welches bezüglich der Phasenspannung u wie ein zweiphasiges System betreibbar ist.
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Dazu kann wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wir der Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung bestimmt, im Falle der 5 der Energieversorgungszweig mit der Phasenspannung u. Schließlich werden die Koppeleinrichtungen 9 der zwei übrigen Energieversorgungszweige so angesteuert, dass deren Ausgangsspannung aus der Summe eines symmetrischen Spannungsanteils us und eines asymmetrischen Spannungsanteils ua gebildet wird. Der symmetrische Spannungsanteil us wird durch den Betrag |u| der Phasenspannung u der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung definiert. Der asymmetrische Spannungsanteil ua hingegen entspricht dem Betrag der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |w| und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |u|.
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Die symmetrischen Spannungsanteile us der einzelnen Energieversorgungszweige folgen dem konventionellen Ansteuerungsverfahren und weisen daher jeweils paarweise einen Phasenversatz von 120° zueinander auf. Der Phasenversatz zwischen den asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei Energieversorgungszweige mit den jeweils höheren maximal möglichen Ausgangsspannungen beträgt jedoch 60°, um durch die Differenzspannung der asymmetrischen Spannungsanteile in der Phasenleitung des durch den Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung eine entsprechende symmetrische Gegenspannung aufzubauen. Durch die Wahl der Phasenversatzes von 60° für die asymmetrischen Spannungsanteile der zwei Energieversorgungszweige mit den jeweils höheren maximal möglichen Ausgangsspannungen kann demgemäß die Phasenspannung des Energieversorgungszweigs mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung über das eigentlich maximal mögliche Spannungsniveau |u| hinaus an der elektrischen Maschine 2 in 2 erhöht werden. Mit anderen Worten können die leistungsfähigeren Energieversorgungszweige die mangelnde Leistungsfähigkeit des derzeit leistungsschwächsten Energieversorgungszweigs zumindest teilweise kompensieren.
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6 zeigt eine schematische Illustration eines Raumzeigerdiagramms mit Raumzeigern u, v‘ und w‘, die einer virtuellen Sternpunktverschiebung sv (Länge 58% des asymmetrischen Spannungsanteils) unterworfen sind. Wie sich ergibt, bilden die Raumzeiger u, v‘ und w‘ ein dreiphasiges Spannungsversorgungssystem, in dem ein dreiphasiges symmterisches Drehfeld mit verbessertem Spannungsniveau |u‘| gegenüber dem Spannungsniveau |u| am Verbraucher erzeugt werden kann.
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Die Raumzeiger u, v‘ und w‘ werden dabei gemäß (bei einem dreiphasigen System) den vorstehenden Erläuterungen nach folgenden mathematischen Zusammenhängen gebildet (exemplarisch für den in 5 dargestellten Fall): u = |u|·[1 0]T v‘ = |u|·[–0,5 q]T + (|w| – |u|)·[–q 0,5]T w‘ = |u|·[–0,5 – q]T + (|w| – |u|)·[–q – 0,5]T, wobei q = 0,5·30,5 ist. Wie in 6 zu erkennen ist, beträgt der Gewinn an Leistungsfähigkeit gegenüber einer herkömmlichen Ansteuerung 3–0,5 ≈ 0,58 der Differenz |w| – |u| (asymmetrischer Spannungsanteil). Andere mathematische Lösungen sind selbstverständlich auch denkbar.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in 2 dargestellt, welche zum Erzeugen einer dreiphasigen Versorgungsspannung ausgelegt ist. Das Verfahren 10 umfasst in einem ersten Schritt 21 ein Ermitteln desjenigen Energieversorgungszweigs, der die derzeit geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung aufweist. Beispielsweise kann dies ein Energieversorgungszweig der Energiespeichereinrichtung 1 sein, in welchem die meisten der Energiespeichermodule 3 aufgrund von Defekten oder Ausfällen deaktiviert sind, oder in welchem die Energiespeichermodule 3 im Schnitt den höchsten Alterungsgrad erreicht haben. Dieser Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung wird zur Erzeugung der Phasenspannung im üblichen Betrieb angesteuert.
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Die übrigen beiden Energieversorgungszweige werden in Schritt 22 dann so angesteuert, dass deren Ausgangsspannung aus der Summe aus einem symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der Energieversorgungszweige und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist. Dabei beträgt der Phasenversatz zwischen den symmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der Phasenversatz zwischen den asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 60°.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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