DE102018106309A1

DE102018106309A1 - Energiespeicher

Info

Publication number: DE102018106309A1
Application number: DE102018106309.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Malte Jaensch; Jan Kacetl; Tomas Kacetl
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-19
Also published as: US10840714B2; US20190288536A1; CN110289778A; CN110289778B

Abstract

Ein Energiespeicher (20) zur Bereitstellung einer Spannung hat eine erste Steuervorrichtung (22) und Module (40), welche Module (40) jeweils eine Energiespeichereinheit (50), eine Verschalteinheit (60) und eine Modulsteuervorrichtung (42) aufweisen, welche Verschalteinheiten (60) zwischen zwei zugeordneten Modulen (40) verschaltet sind und erste Schalter (62) aufweisen, und welche Verschalteinheiten (60) dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter (62) mindestens zwei Verschaltungen zu ermöglichen aus der Gruppe von Verschaltungen bestehend aus
- Parallelverschaltung von zwei Modulen (40),
- Seriellverschaltung von zwei Modulen (40),
- Überbrückung mindestens eines der zwei Module (40),welche erste Steuervorrichtung (22) und welche Modulsteuervorrichtung (42) zusammen dazu ausgebildet sind, während der Nutzung des Energiespeichers (20) eine Änderung der Ansteuerung der zugeordneten Verschalteinheit (60) zu ermöglichen, um eine Umkonfigurierung des Energiespeichers (20) zu bewirken, und welche erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die Modulsteuervorrichtungen (42) anzusteuern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher, insbesondere einen Energiespeicher mit rekonfigurierbaren Modulen.
Übliche Energiespeicher für Fahrzeuge wie Batterien haben fest miteinander verdrahtete Module. Daher sinkt die Spannung der Batterie durch die Entladung, und über längere Zeit verringert sich die maximale Kapazität der Batterie und üblicherweise auch die Spannung bei voller Aufladung. Batteriemanagementsysteme werden eingesetzt, um wiederaufladbare Batterien zu überwachen und zu regeln. Hierbei kommen auch Balancer zum Einsatz, die dazu ausgebildet sind, eine möglichst gleichmäßige Entladung der Einheiten innerhalb der Batterie zu erzielen. Das Balancing erfolgt üblicherweise ausschließlich am Anfang oder am Ende des Ladevorgangs. Beim Laden der Batterien bestehen Anforderungen an die Spannung, und es sind in Abhängigkeit vom Anwendungsfall ggf. Spannungsregler erforderlich. Bei einer Aufladung des Fahrzeugs mittels einer Wechselspannung muss eine AC/DC-Wandlung erfolgen, wobei der AC/DC-Wandler ggf. die maximale Ladeleistung begrenzt.
Die US 2008/0205086 A1 zeigt ein Fahrzeug, bei dem eine nicht stabilisierte Gleichspannungsquelle über einen DC/DC-Wandler und einen DC/AC-Wandler mit einer leistungsschwachen Wechselstromlast verbunden ist. Der DC/DC-Wandler dient zur Stabilisierung der nicht stabilisierten Gleichspannungsquelle.
Die US 2009/0033254 A1 zeigt ein Inverter-System mit zwei Gleichspannungsquellen mit Brennstoffzellen und ein Verfahren zum Energieaustausch.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Energiespeicher bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 und durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 12.
Ein Energiespeicher zur Bereitstellung einer Spannung hat eine erste Steuervorrichtung und Module, welche Module jeweils eine Energiespeichereinheit, eine Verschalteinheit und eine Modulsteuervorrichtung aufweisen, welche Verschalteinheiten zwischen zwei zugeordneten Modulen verschaltet sind und erste Schalter aufweisen, und welche Verschalteinheiten dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter mindestens zwei Verschaltungen zu ermöglichen aus der Gruppe von Verschaltungen bestehend aus

- Parallelverschaltung von zwei Modulen,
- Seriellverschaltung von zwei Modulen,
- Überbrückung mindestens eines der zwei Module,

Ein solcher Energiespeicher ermöglicht eine gute Umkonfigurierung der Module, auch während der Nutzung des Energiespeichers. Er ermöglicht eine Kompatibilität mit vielen unterschiedlichen Leistungswechselrichtern (Leistungsinvertern), da der Energiespeicher angepasst werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass ein Balancing während des Betriebs durchgeführt werden kann und hierdurch schnell reagiert werden kann. Im Hinblick auf die Sicherheit kann über die Verschalteinheiten bewirkt werden, dass der Energiespeicher bei Nichtnutzung oder im Fehlerfall keine hohe Spannung aufweist. Die elektromagnetische Störstrahlung und die gesamte harmonische Verzerrung (THD = total harmonic distortion) können durch die Umkonfigurierung innerhalb der Batterie verringert werden. Auch beim Laden gibt es Vorteile, da die Batterie an die Ladespannung angepasst werden kann. Es können auch unterschiedliche Energiespeichereinheiten verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Energiespeichereinheiten jeweils mindestens eine Brennstoffzelle oder mindestens eine Batteriezelle auf. Beide Zellentypen ermöglichen eine gute Energiespeicherung, und sie sind für die Modulbildung gut geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Schalter der Verschalteinheiten, durch welche der Nutzstrom fließt, Halbleiterschalter, insbesondere Halbleiterschalter vom Typ IGBT, IGCT oder MOSFET. Es können bei dem genannten Energiespeicher verschiedenartige Leistungsschalter wie IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) oder MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) verwendet werden. Die auftretenden Spannungen können vergleichsweise gering gehalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Schalter der Verschalteinheiten, durch welche der Nutzstrom fließt, Niederspannungs-Halbleiterschalter. Dies spart Kosten. Der Energiespeicher ermöglicht eine Ausbildung ohne große Spannungen bei den ersten Schaltern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Energiespeicher zwei erste Ausgänge zur Bereitstellung der Spannung des Energiespeichers auf, und die erste Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einem vorgegebenem Spannungssollwert U_S die Modulsteuervorrichtungen anzusteuern, um die Spannung U des Energiespeichers in Abhängigkeit vom Spannungssollwert U_S zu beeinflussen. Die erste Steuervorrichtung kann hierdurch reagieren, wenn die Ausgangsspannung des Energiespeichers zu niedrig oder zu hoch wird und die Module entsprechend umkonfigurieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Energiespeicher eine erste Messvorrichtung zur Erzeugung eines die Spannung zwischen den beiden ersten Ausgängen charakterisierenden ersten Messwerts U auf, und die erste Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, den ersten Messwert U durch Umkonfigurierung der Verschalteinheiten auf den Spannungssollwert U_S zu regeln. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Spannung U entsprechend dem Spannungssollwert U_S eingestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Energiespeicher zweite Messvorrichtungen zur Erzeugung von die Spannung an einem jeweils zugeordneten Modul charakterisierenden zweiten Messwerten auf, und die erste Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von den zweiten Messwerten Steuersignale an die Modulsteuervorrichtungen auszugeben, um die Verschalteinheiten umzukonfigurieren. Durch diese Spannungsinformationen zu den einzelnen Modulen kann die erste Steuervorrichtung eine gute Anpassung der Spannung U durch Rekonfigurierung bewirken, indem sie beispielsweise an Stelle eines Moduls mit niedrigerer Spannung ein Modul mit höherer Spannung in Serie schaltet und hierdurch die Spannung des Energiespeichers erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Energiespeicher dritte Messvorrichtungen zur Erzeugung von den Ladezustand an einem jeweils zugeordneten Modul charakterisierenden dritten Messwerten auf, und bei welchem die erste Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den dritten Messwerten Steuersignale an die Modulsteuervorrichtungen auszugeben, um die Verschalteinheiten umzukonfigurieren und um den Ladezustand der Module beim Laden und Entladen aneinander anzugleichen. Bei bisherigen Batterien bestimmt im schlechtesten Fall die schlechteste Batteriezelle, ob eine Batterie weiter verwendet werden kann, da die schlechteste Batteriezelle vor einer Tiefentladung geschützt werden muss, was ggf. ein Abschalten der Batterie erforderlich macht. Durch den Energiespeicher kann eine solche schlechte Batteriezelle beispielsweise im Betrieb überbrückt und damit vor einer Beschädigung geschützt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Steuervorrichtung dazu ausgebildet, die Modulsteuervorrichtungen derart anzusteuern, dass eine serielle Verschaltung von parallel verschalteten Modulen vorgesehen ist, jedoch keine Parallelschaltung von in Serie geschalteten Modulen. In Serie geschaltete Module haben eine höhere Spannung, und eine Parallelschaltung solcher in Serie geschalteten Module erfordert daher erste Schalter mit hoher Spannungsfestigkeit. Ohne die Parallelschaltung von in Serie geschalteten Modulen sind im Gegensatz dazu die Spannungen geringer, und es können erste Schalter in Form von Niedervolt-Schaltern, insbesondere Niedervolt-Halbleiterschaltern verwendet werden, obwohl der Energiespeicher ein Hochvolt-Energiespeicher sein kann. Dies ist sehr vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Steuervorrichtung und die Modulsteuervorrichtung dazu ausgebildet, in einem Fehlerfall oder beim Abschalten die ersten Schalter nichtleitend zu schalten, um eine serielle Verschaltung der Module durch die ersten Verschalteinheiten zu verhindern. Hierdurch kann der Energiespeicher im Fehlerfall oder beim Abschalten als Niedervolt-Bauteil angesehen werden. Dies erhöht die Sicherheit, beispielsweise nach einem Unfall. Das Abschalten der ersten Schalter kann somit durch die erste Steuervorrichtung und/oder durch die Modulsteuervorrichtung erfolgen. Insbesondere bei Unfällen ist es sehr vorteilhaft, wenn das Vorhandensein hoher Spannungen ausgeschlossen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Modulsteuervorrichtung ein ASIC, ein FPGA, ein CPLD, einen Mikrocontroller einen Logikbaustein, eine integrierte Schaltung oder eine diskret aufgebaute Logikschaltung auf. Dies sind besonders schnelle elektronische Schaltungen, und das erhöht die Sicherheit, da auch die ersten Schalter schnelle geschaltet werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat ein Fahrzeug einen solchen Energiespeicher. Bei Fahrzeugen ergeben sich Vorteile, da hohe Leistungen verwendet werden und eine konstante Spannung vorteilhaft ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher mit einem Leistungswechselrichter verbunden, um diesen mit Strom zu versorgen. Die hohe Qualität des Energiespeichers durch die Möglichkeit der Umkonfigurierung führt dazu, dass der Leistungswechselrichter sehr gut arbeiten kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher direkt ohne Zwischenschaltung eines DC/DC-Wandlers mit dem Leistungswechselrichter verbunden. Dies ist durch die gute Konstanz der Spannung möglich, und die Einsparung des DC/DC-Wandlers verringert die Verlustleistung und das Gewicht des Fahrzeugs.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

1 in schematischer Darstellung ein Fahrzeug 10 mit einem Energiespeicher 20 und Elektromotoren 12,
2 in schematischer Darstellung eine Steuerkette zur Steuerung des Energiespeichers 20,
3 in Explosionsdarstellung ein Modul des Energiespeichers,
4 das Modul von 3 in zusammengebautem Zustand,
5 den Energiespeicher mit Modulen,
6 in schematischer Darstellung das Modul,
7 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des Moduls von 6,
8 in einer zweiten Ausführungsform das Modul von 6,
9 mögliche Verschalteinheiten zur Verschaltung der Module, und
10 beispielhaft eine mögliche Konfiguration der Module im Energiespeicher.

1 zeigt ein Fahrzeug 10, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Ein Energiespeicher 20 zur Bereitstellung einer Spannung ist vorgesehen und beispielhaft über Leistungswechselrichter 14 mit zugeordneten Wechselstrommotoren 12 elektrisch verbindbar. Der Energiespeicher 20 hat eine erste Steuervorrichtung 22 und eine Mehrzahl von Modulen 40, welche Module 40 rekonfigurierbar miteinander verschaltbar sind, um die Spannung U an den Polen 27, 28 des Energiespeichers 20 einzustellen. Eine Fahrzeugsteuervorrichtung 21 ist vorgesehen und mit der ersten Steuervorrichtung 22 über eine Datenleitung 19 verbunden. Die Fahrzeugsteuervorrichtung 21 ist der ersten Steuervorrichtung 22 übergeordnet und kann dieser bspw. einen Spannungssollwert U_S vorgeben. Die erste Steuervorrichtung 22 ist über eine Datenleitung 24 mit den Modulen 40 verbunden, um den Modulen 40 Steuersignale 26 übermitteln zu können. Bevorzugt können auch die Module 40 über die Datenleitungen 24 oder über eine nicht dargestellte zusätzliche Datenleitung miteinander kommunizieren. Beispielhaft hat der Energiespeicher 20 einen ersten Zweig 31, einen zweiten Zweig 32 und einen dritten Zweig 33. Die Zweige 31, 32, 33 können zumindest teilweise in Serie geschaltet werden oder parallel miteinander verschaltet werden, um unterschiedliche Spannungen U an den Polen 27, 28 des Energiespeichers 20 bereitzustellen.
Der gezeigte Energiespeicher 20 erlaubt durch die Rekonfigurierbarkeit der Module 40 bspw. eine Anpassung der Spannung U an den Spannungssollwert U_S, und hierdurch kann bei sich änderndem Ladungszustand der Module 40 durch die Umkonfigurierung die Spannung U erhöht oder erniedrigt werden.
2 zeigt die Steuerstruktur. Die Fahrzeugsteuervorrichtung 21 ist üblicherweise außerhalb des Energiespeichers 20 angeordnet, und sie kommuniziert mit der ersten Steuervorrichtung 22 des Energiespeichers 20. Die Fahrzeugsteuervorrichtung 21 überträgt bspw. ein Spannungssollwertsignal an die erste Steuervorrichtung 22, und die erste Steuervorrichtung 22 überträgt bspw. einen Status und Fehlerwerte des Energiespeichers 20. Zwischen der Fahrzeugsteuervorrichtung 21 und der ersten Steuervorrichtung 22 ist eine Datenleitung 30 vorgesehen, beispielsweise ein unidirektionaler oder bidirektionaler Bus. Die erste Steuervorrichtung 22 bestimmt, wie die Module 40 konfiguriert sein sollen, und sie überträgt über die Steuerleitung 24 entsprechende Signale an die Modulsteuervorrichtungen 42, die jeweils einem der Module 40 zugeordnet sind. Die Steuerleitung 24 ist bevorzugt eine Datenleitung, insbesondere ein unidirektionaler oder bidirektionaler Bus. Die Modulsteuervorrichtung 42 überträgt Steuersignale an erste Schalter 62, welche ersten Schalter 62 zur Aktivierung oder Deaktivierung von Verbindungen zwischen Batteriemodulen 40 vorgesehen sind, wobei ein Nutzstrom über die ersten Schalter 62 fließt, wenn diese leitend geschaltet sind. Bevorzugt weist die Modulsteuervorrichtung 42 eine Überwachung des zugeordneten Moduls (Spannung, Ladezustand, Temperatur) auf. Bevorzugt weist die Modulsteuervorrichtung 42 eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit der ersten Steuervorrichtung 22 und/oder den anderen Modulen 40 auf.
Die Modulsteuervorrichtung 42 weist bevorzugt ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ein FPGA (Field Programmable Gate Array), ein CPLD (Complex Programmable Logic Device), einen Mikrocontroller oder andere Logikschaltungen, insbesondere auch nicht programmierbare Logikschaltungen, auf. Nicht programmierbare Logikschaltungen bestehen beispielsweise aus logischen Gattern wie Bausteinen aus der Gruppe der 74XX-Chips, beispielsweise 7400-Logik, oder aus der 4000er-Reihe. Die Schaltungen können als integrierte Schaltungen (IC) oder als diskrete Schaltungen aus einzelnen elektronischen oder elektrischen Bauteilen ausgeführt werden. Es sind unterschiedliche Logiken wie CMOS-Logik oder TTL-Logik verwendbar. ES ist bereits mit einfachen Logikschaltungen möglich, einfache Codierungs- und Decodierungseinheiten auszubilden, die beispielsweise Kommandos eines Steuerungsbusses empfangen und in die entsprechenden Steuersignale wie beispielsweise Gate-Signale der einzelnen Schalter umzuwandeln. Die genannten Schaltungen enthalten bevorzugt auch Speicherbausteine.
Solche elektronischen Bauelemente ermöglichen eine schnelle Kommunikation und können sehr schnell auf die anwendungsspezifischen Ereignisse reagieren und die ersten Schalter 62 schalten. Dies ergibt eine hohe Sicherheit.
Die erste Steuervorrichtung 22 ermittelt eine geeignete Konfiguration der Verschalteinheiten 60 und übermittelt jeder Verschalteinheit 60 ein entsprechendes für das zugehörige Modul 40 geeignetes Steuersignal. In Abhängigkeit von diesem Steuersignal schaltet die Modulsteuervorrichtung 42 die ersten Schalter 62.
3 zeigt ein Modul 40. Das Modul 40 hat eine Energiespeichereinheit 50, eine Verschalteinheit 60 und eine zugeordnete Modulsteuervorrichtung 42. Die Verschalteinheit 60 hat die ersten Schalter 62, und in Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter 62 ist eine Verschaltung des Moduls 40 mit einem anderen Modul 40 möglich. Hierzu werden die Module 40 zur Bildung des Energiespeichers 20 miteinander verschaltet, so dass die Verschalteinheiten 60 zwischen zwei zugeordneten Modulen 40 verschaltet sind.
Die Verschalteinheit 60 hat bevorzugt eine Leiterplatte 61, auf der die ersten Schalter 62 mit Verbindungsleitungen 63 und bevorzugt auch die Modulsteuervorrichtung 42 vorgesehen sind.
Bevorzugt ist eine zweite Messvorrichtung 44 zur Erzeugung von die Spannung an dem Modul 40 charakterisierenden zweiten Messwerten vorgesehen. Weiter bevorzugt ist eine dritte Messvorrichtung 46 zur Erzeugung von dem Ladezustand an dem zugeordneten Modul 40 charakterisierenden dritten Messwerten vorgesehen. Die Anordnung der genannten Elemente auf der Leiterplatte 61 ist bevorzugt, die genannten Elemente können aber auch auf einer anderen Leiterplatte oder ohne Leiterplatte vorgesehen werden.
Die erste Steuervorrichtung 22 von 2 und die Modulsteuervorrichtung 42 sind zusammen dazu ausgebildet, auch während der Nutzung des Energiespeichers 20 eine Änderung der Ansteuerung der zugeordneten Verschalteinheit 60 zu ermöglichen, um so eine Umkonfigurierung des Energiespeichers 20 zu bewirken. Die Energiespeichereinheit 50 ist im Ausführungsbeispiel aus Batteriezellen 52 aufgebaut, welche über eine Verschaltung 54 fest verschaltet sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 52 durch die Verschaltung 54 in Reihe geschaltet, um einen vorgegebenen Grund-Spannungspegel zu erzielen. In Abhängigkeit von der Grundspannung der Batteriezellen 52 ist auch eine Parallelverschaltung oder eine kombinierte serielle und parallele Verschaltung möglich. Bei den Batteriezellen 52 hat jede Batteriezelle 52 ihren eigenen Energietank. Alternativ zu den Batteriezellen 52 können nicht dargestellte Brennstoffzellen verwendet werden. Bei Brennstoffzellen bietet es sich an, einen geteilten Energietank mit dem Brennstoff zu verwenden, wobei die Leistungswandler der Brennstoffzellen auf den gemeinsamen Energietank zugreifen. Sofern die Batteriezellen 52 oder die Brennstoffzellen eine ausreichende Spannung liefern, kann als Energiespeichereinheit 50 auch eine einzelne Batteriezelle oder Brennstoffzelle verwendet werden.
4 zeigt das Modul 40 im zusammengebauten Zustand. Die Leiterplatte 61 ist fest mit der Energiespeichereinheit 50 verbunden, wobei beispielhaft eine Zwischenplatte 48 zwischen der Leiterplatte 61 und der Energiespeichereinheit 50 vorgesehen ist. Das Modul hat Anschlüsse 66, um eine Verbindung zwischen benachbarten Modulen 40 zu ermöglichen.
5 zeigt einen Energiespeicher 20 mit zwölf Modulen 40, welche entsprechend dem Schaltbild von 1 verschaltet sind. Die einzelnen Module 40 sind mit benachbarten Modulen über Verbindungsleitungen 25 verbunden.
6 zeigt in schematischer Darstellung ein Modul 40 mit den zugeordneten Anschlüssen 66, über welche das Modul 40 mit einem benachbarten Modul 40 oder mit einem der Pole 27, 28 verbindbar ist.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des Moduls 40, bei dem auf zwei Seiten der Energiespeichereinheit 50 eine Verschalteinheit 60 vorgesehen ist. Hierdurch kann das Modul 40 sowohl nach links als auch nach rechts mit einem weiteren Modul 40 verbunden werden.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform des Moduls 40, bei welcher an der Energiespeichereinheit 50 nur auf einer Seite eine Verschalteinheit 60 vorgesehen ist. Hierdurch kann das Modul 40 auf der rechten Seite mit einem weiteren Modul 40 verbunden werden. Auf der linken Seite kann bspw. eine Verbindung mit einem der Pole 27, 28 vorgesehen werden.
9 zeigt verschiedene Ausführungsformen für die Verschalteinheit 60. Man spricht auch von Mikrotopologien. Die Ausführungsformen sind mit 60.1 bis 60.5 bezeichnet. Es ist jeweils die Energiespeichereinheit 50 schematisch dargestellt, und rechts von ihr ist eine mögliche Verschaltung gezeigt, bei welcher der Nutzstrom 64 über einen oder mehrere der ersten Schalter 62 fließen kann. Auf der rechten Seite sind die möglichen Verschaltungen aufgelistet, die mit der entsprechenden Verschalteinheit erzielt werden können. Hierbei bezeichnet S+ eine serielle positive Verschaltung, S- eine serielle negative Verschaltung, P eine parallele Verschaltung, B+ eine Überbrückung über die positive Stromschiene und B- eine Überbrückung über die negative Stromschiene. Die Verschalteinheit 60.5 ermöglicht nicht eine serielle negative Verschaltung. Nicht bei jeder Ausführungsform ist jede Verschaltung erforderlich, und es kann eine der möglichen Verschaltungen gewählt werden, die bspw. möglichst wenig erste Schalter 62 aufweist.
Durch das Vorsehen der Verschalteinheiten 60 erhält man hohe Freiheitsgrade bei der Umkonfigurierung innerhalb des Energiespeichers 20.
Weitere Mikrotopologien werden beschrieben in

- WO 2017/016675 A1 ,
- WO 2017/016674 A1 ,
- DE 10 2011 108 920 A1 ,
- DE 10 2010 052 934 A1 ,
- S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: topology and control. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225,
- M. Perez, S. Bernet, J. Rodriguez, S. Kouro, R. Lizana (2015), Circuit topologies, modelling, control schemes, and applications of modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 4-17. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310127.

10 zeigt eine mögliche Verschaltung von sieben der Module 40 zwischen den Polen 27, 28, wie sie durch die erste Steuervorrichtung 22 berechnet und an die Module 40 ausgegeben wird. Die Anzahl der in Serie verschalteten Module 40 bestimmt die Spannung zwischen den Polen 27, 28. Bei der gezeigten Konfiguration ist das Modul 40A überbrückt und trägt daher nicht zur Gesamtspannung bei. Dies kann bspw. erforderlich sein, wenn das Modul 40A nicht richtig funktioniert, oder wenn eine geringere Gesamtspannung A an den Polen 27, 28 erwünscht ist. Die Module 40B, 40D und 40F sind in Serie geschaltet, und dem Modul 40D ist ein Modul 40E parallel geschaltet. Dies kann bspw. vorteilhaft sein, wenn das Modul 40D stärker entladen ist als die anderen Module, und durch das Hinzuschalten des Moduls 40E wird die Entladung des Moduls 40D verringert. Zudem kann ein Ladungsausgleich zwischen den Modulen 40D und 40E erfolgen, und der Gesamtwiderstand wird durch die Parallelschaltung verringert. Dem Modul 40B kann ein Modul 40C parallel geschaltet werden. Die Parallelschaltung ist jedoch deaktiviert (gestrichelte Linie). Dies kann vorteilhaft sein, wenn das Modul 40C stärker entladen ist als andere Module 40 oder wenn bei einem Ladevorgang des Energiespeichers 20 das Modul 40B stärker entladen ist als die übrigen Module 40. In gleicher Weise besteht die Möglichkeit einer Parallelschaltung des Moduls 40G zum Modul 40F, wobei auch das Modul 40G deaktiviert ist. Im Ausführungsbeispiel hat die erste Steuervorrichtung 22 die Module 40 derart angesteuert, dass eine serielle Verschaltung von Modulen 40 vorgesehen ist, wobei den seriell geschalteten Modulen 40 jeweils ein oder mehrere weitere Module 40 parallel geschaltet werden können oder aber nicht. Diese Art der Verschaltung ist vorteilhaft gegenüber einer Parallelverschaltung von bereits in Serie geschalteten Modulen, da bei einer solchen Parallelverschaltung höhere Spannungen auftreten und hierdurch auch größere Anforderungen an die ersten Schalter 62 bestehen. Die gezeigte Ausführungsform, bei der nicht bereits seriell verschaltete Module 40 zusätzlich parallel verschaltet werden, erlaubt den Einsatz von Niedervolt-Halbleiterschaltern. Der Fachmann spricht bei solchen Halbleiterschaltern in Fahrzeugen vom Niedervoltbereich, wenn eine Gleichspannung kleiner als 60 V ist bzw. der Effektivwert einer Wechselspannung kleiner als 30 V ist. Die Spannung an der durch den ersten Schalter 61 zu verschaltenden Energiespeichereinheit 50 bestimmt, wie spannungsfest der erste Schalter 61 ausgebildet sein muss.
Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Als Energiespeichereinheit wurden jeweils eine oder mehrere Batteriezellen oder Brennstoffzellen vorgeschlagen. Es ist aber grundsätzlich jede Spannungsquelle möglich.
Als Datenleitungen wurden drahtgebundene Datenleitungen genannt. An Stelle dieser ist auch die Verwendung drahtloser Datenleitungen möglich, entweder bei einem Teil oder bei allen genannten Datenleitungen 30, 24 etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0205086 A1 [0003]
US 2009/0033254 A1 [0004]
WO 2017/016675 A1 [0040]
WO 2017/016674 A1 [0040]
DE 102011108920 A1 [0040]
DE 102010052934 A1 [0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: topology and control. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 [0040]
M. Perez, S. Bernet, J. Rodriguez, S. Kouro, R. Lizana (2015), Circuit topologies, modelling, control schemes, and applications of modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 4-17. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310127 [0040]

Claims

Energiespeicher (20) zur Bereitstellung einer Spannung, welcher Energiespeicher (20) eine erste Steuervorrichtung (22) und Module (40) aufweist, welche Module (40) jeweils eine Energiespeichereinheit (50), eine Verschalteinheit (60) und eine Modulsteuervorrichtung (42) aufweisen, welche Verschalteinheiten (60) zwischen zwei zugeordneten Modulen (40) verschaltet sind und erste Schalter (62) aufweisen, und welche Verschalteinheiten (60) dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit vom Zustand der ersten Schalter (62) mindestens zwei Verschaltungen zu ermöglichen aus der Gruppe von Verschaltungen bestehend aus - Parallelverschaltung von zwei Modulen (40), - Seriellverschaltung von zwei Modulen (40), - Überbrückung mindestens eines der zwei Module (40), welche erste Steuervorrichtung (22) und welche Modulsteuervorrichtung (42) zusammen dazu ausgebildet sind, während der Nutzung des Energiespeichers (20) eine Änderung der Ansteuerung der zugeordneten Verschalteinheit (60) zu ermöglichen, um eine Umkonfigurierung des Energiespeichers (20) zu bewirken, und welche erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die Modulsteuervorrichtungen (42) anzusteuern.
Energiespeicher (20) nach Anspruch 1, bei welchem die Energiespeichereinheiten (50) jeweils mindestens eine Brennstoffzelle oder mindestens eine Batteriezelle aufweisen.
Energiespeicher (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die ersten Schalter (62), durch welche der Nutzstrom fließt, Halbleiterschalter sind, insbesondere Halbleiterschalter vom Typ IGBT, IGCT oder MOSFET.
Energiespeicher (20) nach Anspruch 3, bei welchem die ersten Schalter (62), durch welche der Nutzstrom fließt, Niederspannungs-Halbleiterschalter sind.
Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher zwei erste Ausgänge (27, 28) zur Bereitstellung der Spannung des Energiespeichers (20) aufweist, und bei welchem die erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem vorgegebenem Spannungssollwert (U_S) die Modulsteuervorrichtungen (42) anzusteuern, um die Spannung (U) des Energiespeichers (20) in Abhängigkeit vom Spannungssollwert (U_S) zu beeinflussen.
Energiespeicher (20) nach Anspruch 5, welcher eine erste Messvorrichtung (29) zur Erzeugung eines die Spannung zwischen den beiden ersten Ausgängen (27, 28) charakterisierenden ersten Messwerts (U) aufweist, und bei welchem die erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, den ersten Messwert (U) durch Umkonfigurierung der Verschalteinheiten (60) auf den Spannungssollwert (U_S) zu regeln.
Energiespeicher (20) nach Anspruch 5 oder 6, welcher zweite Messvorrichtungen (44) zur Erzeugung von die Spannung an einem jeweils zugeordneten Modul (40) charakterisierenden zweiten Messwerten aufweist, und bei welchem die erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den zweiten Messwerten Steuersignale (26) an die Modulsteuervorrichtungen (42) auszugeben, um die Verschalteinheiten (60) umzukonfigurieren.
Energiespeicher (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, welcher dritte Messvorrichtungen (46) zur Erzeugung von den Ladezustand an einem jeweils zugeordneten Modul (40) charakterisierenden dritten Messwerten aufweist, und bei welchem die erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den dritten Messwerten Steuersignale an die Modulsteuervorrichtungen (42) auszugeben, um die Verschalteinheiten (60) umzukonfigurieren und um den Ladezustand der Module (40) beim Laden und Entladen aneinander anzugleichen.
Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste Steuervorrichtung (22) dazu ausgebildet ist, die Modulsteuervorrichtungen (42) derart anzusteuern, dass eine serielle Verschaltung von parallel verschalteten Modulen (40) vorgesehen ist, jedoch keine Parallelschaltung von in Serie geschalteten Modulen (40).
Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste Steuervorrichtung (22) und die Modulsteuervorrichtung (42) dazu ausgebildet sind, in einem Fehlerfall oder beim Abschalten die ersten Schalter (62) nichtleitend zu schalten, um eine serielle Verschaltung der Module (40) durch die ersten Verschalteinheiten (60) zu verhindern.
Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Modulsteuervorrichtung (42) ein ASIC, ein FPGA, ein CPLD, einen Mikrocontroller einen Logikbaustein, eine integrierte Schaltung oder eine diskret aufgebaute Logikschaltung aufweist.
Fahrzeug (10) mit einem Energiespeicher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug (10) nach Anspruch 12, bei welchem der Energiespeicher (20) mit einem Leistungswechselrichter (14) verbunden ist, um diesen mit Strom zu versorgen, wobei der Energiespeicher (20) bevorzugt direkt ohne Zwischenschaltung eines DC/DC-Wandlers mit dem Leistungswechselrichter (14) verbunden ist.