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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Modulströmen einer modularen Wechselstrombatterie. Ferner wird ein System beansprucht, welches eine Ausführung des Verfahrens auf der Wechselstrombatterie ermöglicht.
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Eine Wechselstrombatterie ist eine steuerbare Spannungsquelle mit einer Vielzahl an Energiespeichereinheiten wie bspw. Kondensatoren oder Energiezellen. Im Betrieb wird eine Konfiguration bzw. ein Zustand der Wechselstrombatterie dynamisch verändert, so dass sie an ihren Anschlüssen eine jeweilig angeforderte (Wechsel-)Spannung bereitstellt.
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Um bei einer herkömmlichen Gleichspannungsbatterie aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung vorbestimmter Frequenz zu erhalten, werden Ein- und Ausgangsspannungen in einer Leistungselektronik mit wenigen Leistungsschaltern zwischen wenigen Niveaus, meist zwei bis drei, geschaltet, um im Mittel eine gewünschte Spannungsstufe zu erhalten. Im Gegensatz dazu arbeiten moderne Wechselstrombatterien, wie bspw. modulare Multilevelkonverter, nach einem Schema, um die Wechselspannung durch die dynamische wechselbare Konfiguration von über eine Vielzahl elektronischer Schalter verschalteten Energiespeichereinheiten zu erzeugen. Dabei kommen wesentlich mehr elektronische Schalter, bspw. Leistungshalbleiterschalter, als bei der herkömmlichen Leistungselektronik zum Einsatz, woraus eine Vielzahl von realisierbaren Gesamtschaltzuständen und damit verbundenen Ausgangsspannungen der Wechselstrombatterie in sehr feinen Abstufungen bzw. Leveln gebildet werden kann. Gleichzeitig existiert eine hohe Zahl an Freiheitsgraden, um mit verschiedenen Gesamtschaltzuständen eine gleiche Spannungsstufe zu realisieren, wobei eine Steuerung der Wechselstrombatterie allen Schaltern zu jeder Zeit einen eindeutigen Zustand zuweisen muss. Letzteres wird in der Steuerung durch eine als „Scheduler“ bezeichnete Komponente ausgeführt, welche aus allen möglichen Konfigurationen der Wechselstrombatterie, d. h. der elektronischen Schalter, eine geeignete Konfiguration aussucht, bspw. unter Berücksichtigung von Kriterien wie Ladezustand der Energiespeichereinheiten, Temperatur, Ladezyklen, etc.
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Während verschiedene Gesamtschaltzustände bzw. Konfigurationen der Wechselstrombatterie die gleiche Spannungsstufe erfüllen, führen diese aber zu einer unterschiedlichen Lastverteilung zwischen den Energiespeichereinheiten. Zusätzlich kommt es durch die dynamisch sich wechselnden Konfigurationen zu einem Lastrippel, welcher je nach Lastrippelfrequenz die jeweilige Energiespeichereinheit unterschiedlich altern lässt. So werden für eine Batteriezelle als Energiespeichereinheit, welche auf elektrochemischen Entladungsreaktionen basiert, Kurzbelastungen im Millisekundenbereich und darunter gemeinhin als unschädlich angesehen. Dies ist darin begründet, dass eine elektrisch geladene Elektrode der Batteriezelle eine kapazitive Doppelschicht bildet, welche Kurzbelastungen kompensiert, wohingegen eine länger anhaltende Last zu einer elektrochemischen Ladungsaustauschreaktion gemäß den Faradayschen Gesetzen führt. Solche elektrochemischen Ladungsaustauschreaktionen befördern aber nachteilig einen Alterungsprozess der Batteriezelle.
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Die Druckschrift
US 2014/0354195 A1 offenbart eine modulare Batterie, bei der ein Entladestrom einzelner Batteriemodule geregelt wird. Die modulare Batterie enthält eine zustandsabhängige Steuerung, welche zur Lastregelung eine Feedbackschleife vorsieht.
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In der Druckschrift
US 2020/0070672 A1 wird ein Batterieaufladegerät beschrieben, welches ebenfalls eine zustandsabhängige Steuerung mit einer Feedbackschleife enthält. Die Steuerung ändert die Verteilung der Last zwischen den Energiespeichermodulen.
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Die Druckschrift
DE 10 2018 125 728 B3 beschreibt eine Steuerung einer Wechselstrombatterie, welche Ladungszustand und Temperaturkontrolle einzelner Energiezellen berücksichtigt. Durch Aufteilung in einen Realzeit-Teil und einen Offline-Teil wird eine Bereitstellung geeigneter Schaltzustände optimiert.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu einer Steuerung einer Wechselstrombatterie zur Verfügung zu stellen, welches eine Lastregelung implementiert und gleichzeitig die elektrochemischen Ladungsaustauschreaktionen in Batteriezellen der Wechselstrombatterie minimiert. Zudem soll ein entsprechendes System, welches dazu konfiguriert ist, das Verfahren auszuführen, bereitgestellt werden
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung von Modulströmen einer modularen Wechselstrombatterie vorgeschlagen, bei dem die Wechselstrombatterie eine Mehrzahl von Batteriemodulen aufweist. Jedes Batteriemodul der Mehrzahl von Batteriemodulen weist mindestens zwei steuerbare Schalter und mindestens eine elektrochemische Energiespeichereinheit auf. Durch mindestens zwei Batteriemodule der Mehrzahl von Batteriemodulen wird mindestens ein Phasenstrang gebildet. Durch ein Steuermodul wird für jeden Schalttakt der steuerbaren Schalter ein jeweilig zu realisierender Schaltzustand bereitgestellt, durch welchen die Wechselstrombatterie eine jeweilige diskrete Spannungsstufe und eine jeweilige Lastanforderung realisiert. Durch das Steuermodul wird durch Abgleich einer beobachteten jeweiligen Modullast mit einer jeweiligen Lastanforderung der jeweilig zu realisierende Schaltzustand aus einer Vielzahl möglicher Schaltzustände gemäß einer Kostenfunktion ausgewählt. Dabei wird die beobachtete jeweilige Modullast aus dem zu realisierenden Schaltzustand ermittelt. Das Steuermodul wird mit einer höchstmöglichen Rechengeschwindigkeit betrieben, wodurch eine maximale Bandbreite der jeweiligen zu realisierenden Schaltzustände erreicht wird. Da die maximale Bandbreite hohe Lastrippelfrequenzen aufweist, wird ein Lebensalter der elektrochemischen Energiespeichereinheit des jeweiligen Batteriemoduls erhöht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Umschaltfrequenz der Schalter der Batteriemodule und damit einhergehend einen Wechsel zwischen in dem jeweiligen Batteriemodul fließenden Ladungs- und Entladungsströmen in so hohen Frequenzbereichen, dass die jeweilige elektrochemische Energiespeichereinheit bzw. Batteriezelle des Batteriemoduls vorteilhaft kapazitiv an ihrer Doppelschichtkapazität belastet wird. Ein Faradayscher Ladungsaustauschprozess, welcher nachteilig einen Alterungsvorgang der elektrochemischen Energiespeichereinheit befördert, wird so minimiert. Dies folgt auch aus einer Betrachtung eines die elektrochemischen Ladungsaustauschprozesse beschreibenden Randleschen Ersatzschaltbildes mit einer Parallelschaltung aus Ladungsaustauschwiderstand samt einem sogenannten Warburg-Elementes (Faradayscher Zweig) und der Doppelschichtkapazität (nicht-Faradayscher Zweig). Während bei niederfrequentem Lastrippel Faradaysche Ladungsaustauschprozesse in der Batteriezelle vorherrschen, damit das die elektrochemische Diffusion beschreibende Warburg-Element belastet wird, dominiert im hochfrequenten Bereich die kapazitive Belastung der Doppelschichtkapazität. Eine Impedanz der elektrochemischen Energiespeichereinheit zeigt somit ein Hochpassverhalten, welches die Impedanz bei hohen Lastrippelfrequenzen, bspw. oberhalb von 1000 Hz, auf ein Minimum absinken lässt. Dementsprechend muss die Rechengeschwindigkeit des Steuermoduls mindestens so groß sein, dass die Schaltwechsel realisierenden Schaltzustände mit einer Frequenz oberhalb von 1000 Hz resultieren können. Da bei aus dem Stand der Technik bekannten Steuergeräten und auf diesen Steuergeräten implementierten Algorithmen pro zu realisierenden Schaltzustand hunderte von Rechenschritten notwendig sind, um aus dem vorangegangenen Schaltzustand die resultierende Verteilung der Modulströme zu berechnen, mit einer gewünschten Verteilung abzugleichen, und einen nächsten zu realisierenden Schaltzustand auszugeben, muss die Rechengeschwindigkeit im GHz-Bereich liegen, nicht zuletzt auch deswegen, weil zusätzliche Latenzen durch Übertragung von Steuersignalen an die Schalter der Wechselstrombatterie auftreten.
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Die modulare Wechselstrombatterie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bspw. durch ein modulares Multilevelkonvertersystem verwirklicht, wie es bspw. in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on , vol. 30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 beschrieben ist. Hierbei werden Spannungsdifferenzen zwischen zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos, durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von elektrochemischen Energiespeichern in Batteriemodulen und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung beliebiger Zwischenzustände erzeugt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt vorteilhaft einen jeweilig fließenden Modulstrom und damit einhergehend die jeweilige Modullast als eine Konsequenz aus dem von dem Steuermodul an die Wechselstrombatterie (und ihren Schaltern) übermittelten zu realisierenden Schaltzustand. Dies ist entscheidend schneller zu bewältigen (höher als kHz), als etwa die fließenden Modulströme durch Messungen festzustellen und an das Steuermodul rückzumelden (niedriger als kHz). Solche Messungen von Ladezuständen und/oder Temperaturen der Batteriezellen sind Vorgänge, welche sich im Millisekundenbereich abspielen, so dass darauf basierende Steuerungen der Wechselstrombatterie nachteilig eine vergleichsweise niedrige Bandbreite aufweisen. Zusätzlich sind die Messungen durch vergleichsweise langsame Datenerfassungsvorgänge beschränkt, da Messwerte erst aus der Mehrzahl an Batteriemodulen über einen Datenbus, selbst durch eine gewisse Busbandbreite beschränkt, an das Steuermodul übertragen werden müssen, wodurch die Bandbreite von Steuersignalen weiter eingeschränkt wird. Zwar reicht eine so eingeschränkte Bandbreite trotzdem aus, den Ladezustand und/oder die Temperatur von Batteriemodulen zu steuern, jedoch zeigen sich große Auswirkungen auf die jeweilige Modullast, bspw. in einer Formierung von wiederkehrenden Wellenmustern in den Modulströmen. Da eine Dauer dieser Wellenmuster einer Regelungszeit entspricht (die Regelungszeit ist umgekehrt proportional zur Bandbreite), führt ein Auftreten solcher Wellenmuster zu einem Anwachsen niederfrequenter Anteile im Frequenzspektrum der jeweiligen Modullast. Wie bereits voranstehend angemerkt, tragen jedoch solche niederen Frequenzen nachteilig zu einem beschleunigten Alterungsprozess der jeweiligen elektrochemischen Energiespeicher bei. Demgegenüber steuert das erfindungsgemäße Verfahren nicht direkt den Ladezustand und/oder die Temperatur eines jeweiligen Batteriemoduls, sondern nimmt durch den jeweilig zu realisierenden Schaltzustand unmittelbar Einfluss auf den jeweiligen Modulstrom.
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Die Lastanforderung wird bspw. aus einer Zentralsteuerung eines Elektroautos an das Steuermodul übermittelt, worauf das Steuermodul den zu realisierenden Schaltzustand an die Wechselstrombatterie übermittelt und der mindestens eine Phasenstrang der Wechselstrombatterie einen Phasenstrom einer Traktionsmaschine oder einem Energienetz bereitstellt. Die jeweilige Spannungsstufe wird bspw. durch einen Modulator samt Quantisierer bereitgestellt.
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Durch den Abgleich einer aus dem jeweilig zu realisierenden Schaltzustand beobachteten jeweiligen Modullast mit einer jeweiligen Lastanforderung und dem daraus wiederum durch das Steuermodul bereitgestellten zu realisierenden Schaltzustand wird eine Feedback-Schleife begründet. Die Bereitstellung eines zu realisierenden Schaltzustandes wird auch als Scheduling bezeichnet,
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Die Kostenfunktion bewertet den jeweiligen Schaltzustand gemäß mindestens einem vorgegebenen Kriterium, wobei ein Kriterium des mindestens einen vorgegebenen Kriteriums die gewünschte Verteilung der Modulströme ist. Die gewünschte Verteilung stellt bspw. eine solche Verteilung von Modulströmen bereit, welche die von der Zentralsteuerung übermittelte Lastanforderung erfüllt. Zusätzlich können weitere Kriterien ergänzt werden, wie bspw. eine
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Steuermodul eine Modulstrombeobachtung, eine Modulstromsteuerung, eine Schaltzustandsbewertung und eine Schaltzustandsauswahl. Dabei steuert die Modulstromsteuerung einen jeweiligen Strom in dem jeweiligen Batteriemodul. Als eine erste Steuermoduleingangsgröße wird die jeweilige Spannungsstufe der Schaltzustandsauswahl zugeführt. Als eine zweite Steuermoduleingangsgröße wird der Modulstromsteuerung ein Wert der jeweiligen Lastanforderung zugeführt. Durch die Schaltzustandsauswahl wird der jeweilig zu realisierende Schaltzustand als eine Steuermodulausgangsgröße gebildet, wobei der zu realisierende Schaltzustand zusätzlich der Modulstrombeobachtung zugeführt wird. Durch die Modulstrombeobachtung wird aus dem zu realisierenden Schaltzustand auf einen Wert einer jeweiligen Modullast geschlossen und dieser Wert der Modulstromsteuerung zugeführt. Durch die Modulstromsteuerung wird eine jeweilige Abweichung zwischen den Werten der jeweiligen Modullast und der jeweiligen Lastanforderung ermittelt und die jeweilige Abweichung der Schaltzustandsbewertung zugeführt. Durch die Schaltzustandsbewertung wird der Schaltzustandsauswahl eine Schalttabelle mit den jeweiligen möglichen Schaltzuständen und diesen jeweils zugeordnet ein jeweiliges Ergebnis der Kostenfunktion für den jeweiligen möglichen Schaltzustand bereitgestellt.
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Die Modulstromsteuerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erlaubt für ein jeweiliges Batteriemodul separat gesteuerte Entladungsraten. Diese direkte Steuerungsmöglichkeit der Modullast maximiert eine Dynamik der Modulstromsteuerung und beugt vorteilhaft einer Bildung von Wellenmustern vor. Im Durchschnitt gewährleistet die Dynamik der Modulstromsteuerung mit der Regelungszeit paarweiser Schaltwechsel als eine Zeitkonstante, dass sich die gewünschte jeweilige Modullast im Gleichgewichtszustand einstellt.
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Die Modulstrombeobachtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, also aus dem zu realisierenden Schaltzustand auf einen Wert einer jeweiligen Modullast zu schließen, gewährleistet vorteilhaft eine schnelle Feedback-Schleife des Steuermoduls. Dadurch wird die vergleichsweise langsame und anspruchsvolle Messung des Modulstroms, welche nachteilig die Bandbreite der Steuerung mindert, ersetzt.
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Schaltzustandsbewertung und Schaltzustandsauswahl können zusammengenommen auch als ein Optimierungsalgorithmus betrachtet werden, welcher innerhalb des Steuermoduls eine Auswahl derjenigen Schaltzustände gewährleiset, welche die gewünschte Verteilung der Modulströme, also bspw. eine die Lastanfrage verwirklichende Verteilung der Modulströme, einhalten. Der Optimierungsalgorithmus bewertet innerhalb der Schaltzustandsbewertung alle möglichen Schaltzustände und wählt daraufhin innerhalb der Schaltzustandsauswahl einen optimalen Schaltzustand aus. d. h. denjenigen Schaltzustand, welcher gemäß der Kostenfunktion eine maximale Bewertung aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schalttabelle abgespeichert und die abgespeicherte Schalttabelle der Schaltzustandsauswahl bereitgestellt.
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In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Bewertungskriterium der Kostenfunktion durch die Zahl von Schaltwechseln gegenüber dem aktuellen Schaltzustand gebildet.
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Ferner wird ein System zur Steuerung von Modulströmen einer modularen Wechselstrombatterie beansprucht, wobei das System ein Steuermodul und die modulare Wechselstrombatterie umfasst. Die Wechselstrombatterie weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul der Mehrzahl von Batteriemodulen mindestens zwei steuerbare Schalter und mindestens eine elektrochemische Energiespeichereinheit aufweist. Durch mindestens zwei Batteriemodule der Mehrzahl von Batteriemodulen wird mindestens ein Phasenstrang gebildet. Die Wechselstrombatterie ist dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen vom Steuermodul an sie übermittelten Schaltzustand zu realisieren. Das Steuermodul ist dazu konfiguriert, gemäß einer jeweiligen Spannungsstufe und einer jeweiligen Lastanforderung für jeden Schalttakt der steuerbaren Schalter einen jeweilig zu realisierenden Schaltzustand bereitzustellen. Das Steuermodul ist weiter dazu konfiguriert, durch Abgleich einer jeweiligen aus dem jeweilig zu realisierenden Schaltzustand ermittelten Modullast mit einer jeweiligen Lastanforderung den jeweilig zu realisierenden Schaltzustand aus einer Vielzahl möglicher Schaltzustände gemäß einer Kostenfunktion auszuwählen. Das Steuermodul ist auch dazu konfiguriert, mit einer höchstmöglichen Rechengeschwindigkeit betrieben zu werden, wodurch das System eine maximale Bandbreite der jeweiligen zu realisierenden Schaltzustände erreicht. Die maximale Bandbreite weist dabei hohe Lastrippelfrequenzen auf, wodurch sich ein Lebensalter der elektrochemischen Energiespeichereinheit des jeweiligen Batteriemoduls erhöht.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems umfasst das Steuermodul eine Modulstrombeobachtungseinheit, eine Modulstromsteuerungseinheit, eine Schaltzustandsbewertungseinheit und eine Schaltzustandsauswahleinheit. Das Steuermodul ist dazu konfiguriert, als eine erste Steuermoduleingangsgröße einen Wert der jeweiligen Lastanforderung der Modulstromsteuerungseinheit zuzuführen, als eine zweite Steuermoduleingangsgröße die jeweilige Spannungsstufe der Schaltzustandsauswahleinheit zuzuführen, und in der Schaltzustandsauswahleinheit den jeweilig zu realisierenden Schaltzustand als eine Steuermodulausgangsgröße zu bilden und zusätzlich der Modulstrombeobachtungseinheit zuzuführen. Die Modulstrombeobachtungseinheit ist dazu konfiguriert, aus dem jeweilig zu realisierenden Schaltzustand auf einen Wert einer jeweiligen Modullast zu schließen und diesen Wert der Modulstromsteuerungseinheit zuzuführen. Die Modulstromsteuerungseinheit ist dazu konfiguriert, eine jeweilige Abweichung zwischen den Werten der jeweiligen Modullast und der jeweiligen Lastanforderung zu ermitteln und die jeweilige Abweichung der Schaltzustandsbewertungseinheit zuzuführen. Die Schaltzustandsbewertungseinheit ist dazu konfiguriert, der Schaltzustandsauswahleinheit eine Schalttabelle mit den jeweiligen möglichen Schaltzuständen und diesen jeweilig zugeordnet ein jeweiliges Ergebnis der Kostenfunktion für den jeweiligen möglichen Schaltzustand bereitzustellen.
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Die Modulstrombeobachtungseinheit, die Modulstromsteuerungseinheit, die Schaltzustandsbewertungseinheit und die Schaltzustandsauswahleinheit werden mit maximaler Rechengeschwindigkeit durchlaufen, um eine Steuerungsbandbreite zu maximieren. Als einzig zeitkritische Einheit verbleibt die Schaltzustandsauswahleinheit, welche für eine Realzeitsteuerung einer jeweiligen Phasenspannung den entsprechenden jeweiligen Schaltzustand bereitstellen muss.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die Schaltzustandsbewertungseinheit dazu konfiguriert, die zuletzt berechnete Schalttabelle abzuspeichern und diese abgespeicherte Schalttabelle der Schaltzustandsauswahleinheit bereitzustellen. Damit wird der Steuerung zu jedem Zeitpunkt ermöglicht, einen jeweiligen Schaltzustand gemäß dem Ergebnis der Kostenfunktion auszuwählen und die weiteren Einheiten des Steuermoduls, nämlich die Modulstrombeobachtungseinheit, die Modulstromsteuerungseinheit und die Schaltzustandsbewertungseinheit sind vorteilhaft von der zeitkritischen Schaltzustandsauswahl entkoppelt.
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Jede zeitliche Verzögerung in einer durch die Modulstrombeobachtungseinheit, die Modulstromsteuerungseinheit und die Schaltzustandsbewertungseinheit gebildeten Modulstromsteuerungsschleife bzw. Feedback-Schleife, führt zu extrem kleinen Schaltwechselmustern im zeitlichen Bereich einer Ausbreitungsverzögerung. Da typischerweise die Ausbreitungsverzögerung vernachlässigbar klein ist, bleibt die Steuerungsbandbreite groß genug, um niederfrequente Lastrippel ausreichend zu unterdrücken. Im Endeffekt erzeugt so die hohe Bandbreite der durch das erfindungsgemäße System bereitgestellten Schaltzustände bedeutend weniger niederfrequente Anteile im Lastrippel und minimiert somit vorteilhaft elektrochemische Ladungsaustauschprozesse in den Energiespeichern.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die Schaltzustandsbewertungseinheit dazu konfiguriert, mindestens ein Bewertungskriterium der Kostenfunktion durch die Zahl von Schaltwechseln gegenüber dem aktuellen Schaltzustand zu bilden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- 1 zeigt schematisch ein Steuermodul zur Steuerung von Modulströmen in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt schematisch eine Implementierung einer Steuerung von Modulströmen in ein Steuerungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 wird schematisch ein Steuermodul 100 zur Steuerung von Modulströmen in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Steuermodul 100 umfasst eine Modulstrombeobachtung 120, eine Modulstromsteuerung 110, eine Schaltzustandsbewertung 130 und eine Schaltzustandsauswahl 140. Als eine erste Steuermoduleingangsgröße wird von einem Modulator/Quantisierer eine jeweilige von einer Wechselstrombatterie zu realisierende Spannungsstufe 104 der Schaltzustandsauswahl 140 zugeführt. Als eine zweite Steuermoduleingangsgröße wird ein Wert der jeweiligen Lastanforderung 101, welche bspw. von einem Batterie-Management-System ausgehen kann, der Modulstromsteuerung 110 zugeführt. In der Schaltzustandsauswahl 140 wird der jeweilig zu realisierende Schaltzustand 142 als eine Steuermodulausgangsgröße gebildet und zusätzlich der Modulstrombeobachtung 120 übermittelt. Die Modulstrombeobachtung 120 berechnet dann aus dem zu realisierenden Schaltzustand 142 einen Wert einer jeweiligen Modullast 121 und führt diesen Wert der Modulstromsteuerung 110 zu. Als nächstes stellt die Modulstromsteuerung 110 eine jeweilige Abweichung 113 zwischen den Werten der jeweiligen Modullast 121 und der jeweiligen Lastanforderung 101 fest und führt die jeweilige Abweichung 113 der Schaltzustandsbewertung 130 zu. Die Schaltzustandsbewertung 130 ordnet allen möglichen Schaltzuständen in einer Schalttabelle 134 einen jeweiligen Wert einer Kostenfunktion zu, wobei die Kostenfunktion die jeweilige Abweichung 113 bewertet. Weitere Bewertungskriterien wie „Anzahl der Schaltwechsel“ und/oder „Vermeidung bestimmter Schaltwechsel“ sind denkbar. Gemäß einem extremalen Wert der Kostenfunktion in der Schalttabelle 134, bspw. bezogen auf die jeweilige Abweichung 113 wird als extremaler Wert ein Minimum angestrebt, wählt die Schaltzustandsauswahl 140 den zu realisierenden Schaltzustand 142 aus.
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In 2 wird schematisch eine Implementierung einer Steuerung von Modulströmen in ein Steuerungssystem 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dabei gehen einem Batterie-Management-System 210 für ein jeweiliges Batteriemodul Zustandsdaten 201 wie bspw. Ladungszustand, Temperatur und Modulspannung zu. Im Stand der Technik wird gemäß dieser Messgrößen eine angepasste Lastobergrenze für eine gesamte Traktionsbatterie berechnet, so daß Entlade- bzw. Laderaten der Wechselstrombatterie nachteilig durch Liebig's Minimumgesetz begrenzt sind, da dasjenige Batteriemodul mit der geringsten Entlade- bzw. Laderate einen Minimumfaktor setzt und höhere Entlade- bzw. Laderaten an anderen Batteriemodulen begrenzt. Demgegenüber gewährleistet die Steuerung der Modulströme nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einen direkten Zugang zu den jeweiligen Entlade- bzw. Laderaten jedes Batteriemoduls. Das in einem Scheduler 240 implementierte erfindungsgemäße Verfahren erhält vom Batterie-Management-System 210 eine Lastanforderung 214. Weiter gehen dem Steuerungssystem 200 ein im jeweiligen Batteriemodul gemessener Modulstrom 204 und eine Stromanforderung 202 zu, welche im Stromkontroller 220 zu einer Spannungsanforderung 223 und weiter im Spannungsmodulator 230 zu einer diskreten Spannungsstufe 234, welche dem Scheduler 240 zugeht, umgerechnet werden. Der das erfindungsgemäße Verfahren ausführende Scheduler 240 kann unabhängig von Messzeiten der Batteriemodulzustandsdaten 201 und der gemessenen Modulströme 204 bei höchstmöglicher Rechengeschwindigkeit der Wechselstrombatterie einen jeweilig zu realisierenden Schaltzustand 249 zuleiten und damit eine hohe Steuerungsbandbreite gewährleisten, welche erfindungsgemäß einen Alterungsprozess elektrochemischer Energiespeicher der Batteriemodule minimiert. In der Folge kann das Batterie-Management-System 210 aktiv die Entlade- bzw. Laderaten steuern und ist hierbei vorteilhaft nicht länger Liebig's Minimumgesetz unterworfen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Steuermodul zur Steuerung von Modulströmen
- 101
- Lastanforderung
- 104
- Spannungsstufe
- 110
- Modulstromsteuerung
- 113
- Abweichung zwischen beobachteter Modullast und Lastanforderung
- 120
- Modulstrombeobachtung
- 121
- Berechnete Modullast
- 130
- Schaltzustandsbewertung
- 134
- Schalttabelle mit Ergebnis aus Kostenfunktion
- 140
- Schaltzustandsauswahl
- 142
- Zu realisierender Schaltzustand
- 200
- Schema zur System integration der Steuerung von Modulströmen
- 201
- Batteriemodulzustandsdaten
- 202
- Stromanforderung
- 204
- Modulstrom
- 210
- Batterie-Management-System
- 214
- Lastanforderung
- 220
- Stromkontroller
- 223
- Spannungsanforderung
- 230
- Spannungsmodulator
- 234
- Gewünschte Spannungsstufe
- 240
- Scheduler
- 249
- Zu realisierender Schaltzustand an Batteriemodule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20140354195 A1 [0005]
- US 20200070672 A1 [0006]
- DE 102018125728 B3 [0007]
