DE102022110424A1 - Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls mit einem Multilevelconverter-System, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel oder in Serie geschaltet werden kann, und die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart geschaltet werden, dass wenigstens ein Energiespeichermodul geheizt wird, wobei wenigstens ein Transistor eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird.
• Bisherige Energiespeicher werden meist mit Gleichspannung (DC) belastet. Dies ist dem Aufbau von konventionellen Umrichter-Systemen geschuldet. Dabei wird versucht, die Wechselspannungsanteile, also harmonische Schwingungen, von den Energiespeichern fernzuhalten.
• Da hierbei viele Energiespeicher in Serie oder parallel geschaltet werden müssen, ist ein Batteriemanagement-System (BMS) notwendig. Den Energiespeichern kann z.B. ein DC-Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet sein. Dieser dient dazu, die dreiphasigen Ströme des Umrichters weiter zu glätten und hochfrequente Schwingungen von den Energiespeichern fernzuhalten sowie Schaltüberschwingungen abzufangen, da die Induktivität der Energiespeicher den Strom weitertreiben würde. Das Ziel dieses Vorgehens ist es, die Energiespeicher mit DC zu belasten, da hierbei angenommen wird, dass dies zur Beständigkeit der Batteriezelle beiträgt und die Verluste reduziert.
• Beispielsweise bei einem herkömmlichen Elektrofahrzeug können am DC-Bus die Umrichter vorgesehen sein, die die Energie an den Elektromotor weitergeben bzw. bei einer Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) wieder an die Batterie abgeben. An diesem Bus können beispielsweise auch Ladegeräte angeschlossen werden, die mit Wechselspannung (AC) oder Gleichspannung (DC) arbeiten können.
• Diese Umrichter sind zumeist als Zweipunktumrichter, z.B. als B6-Brücke bei einer dreiphasigen Ausführung, oder - vor allem im Bereich von Solaranlagen - als Dreipunktumrichter ausgebildet.
• Alternativ zu Brückenschaltungen als Umrichter sind so genannte Multilevelconverter-Systeme (MMC-Systeme) bekannt.
• Als Energiespeicher bzw. Energiequellen können beispielsweise Batterien, z.B. Akkumulatoren, Kondensatoren, Brennstoffzellen und/oder Solaranlagen verwendet werden. Die Energiespeicher werden dabei nicht fest miteinander verdrahtet, sondern als einzelne Submodule zusammengefasst. Diesen Aufbau benötigt man für jede Phase. Daher teilen sich die Energiespeicher auf diese Phasen auf und können beispielsweise fest in Serie oder parallel verschaltet werden.
• Batterien sind chemische Energiespeicher, die sich nach der so genannten Arrhenius-Gleichung verhalten. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit je 10°C Temperaturunterschied. Daher ist es im Hinblick auf ein Schnellladen vorteilhaft, dass die Temperatur der Batterien angehoben wird. Ebenfalls ist es vorteilhaft, die Temperatur der Energiespeichermodule, beispielsweise im Winter, anzuheben, um die Batterien nicht unnötig zu beschädigen.
• Bisher wird dies dadurch gelöst, dass externe, z.B. elektrische, Heizelemente im Bereich der Energiespeicher verbaut oder zusätzliche Verluste im Motor oder einem zentralen Umrichter erzeugt werden.
• Dies ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden. Auch werden die Energiespeichermodule lediglich indirekt erwärmt, was zu Wärmeverlusten durch den Transport und/oder die Abstrahlung führt.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls zu schaffen, welches eine hohe Effizienz aufweist.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Erfindungsgemäße ist das Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls mit einem Multilevelconverter-System ausgebildet bzw. kann hierzu verwendet werden.
• Zumindest ein Energiespeichermodul wird direkt, also quasi intern, unmittelbar bzw. integriert, geheizt. Es sind daher keine externen, z.B. elektrischen, Heizelemente notwendig.
• Bei dem Energiespeichermodul kann es sich um einen Speicher einer, vorzugsweise frequenzabhängigen, elektrischen Quelle handeln, beispielsweise einer Batterie, z.B. eines Akkumulators, einer Brennstoffzelle, einer Solarzelle und/oder eines (Super)kondensators.
• Das Verfahren kann beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, z.B. Elektro-PKWs, Elektro-LKWs und/oder Elektro-Bussen, eingesetzt werden. Auch ein Einsatz bei Wasserstofffahrzeugen ist ebenso denkbar. Ferner kann dieses auf stationäre Energiespeicher und/oder andere Umrichter-Systeme, die am Stromnetz verwendet und/oder von einem Wechselspannungsmotor betrieben werden, angewendet werden.
• Es wird eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt.
• Ein, vorzugsweise modulares, Multilevelconverter-System beschreibt eine Art der Anordnung bzw. Schaltung mehrerer Energiespeichermodule bzw. Transistoren.
• Jedes Energiespeichermodul kann wenigstens oder genau eine Batterie, z.B. einen Akkumulator, und/oder wenigstens oder genau einen Kondensator aufweisen.
• Die Transistoren dienen beispielsweise als Schalter, mittels derer z.B. Strom- und/oder Spannungspfade ausgewählt werden können. Die Energiespeichermodule können dadurch beispielsweise in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
• Vorzugsweise sind jedem Energiespeichermodul wenigstens oder genau zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Transistoren zugeordnet.
• Der Transistor kann beispielsweise für eine Spannung von weniger als 500 V, 400 V, 300 V, 200 V, 100 V, 50 V, 40 V, 30 V, 20 V oder 10 V ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Transistor für eine Spannung zwischen 2 V und 8 V, z.B. 3 V, 4 V, 5 V, 6 V oder 7 V, ausgelegt sein.
• Jedes Energiespeichermodul kann zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel und/oder in Serie geschaltet werden. Vorzugsweise kann jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul in Serie geschaltet werden. Die Möglichkeit eines parallelen Schaltens ist vorteilhaft, aber nicht notwendig.
• Vorzugsweise sind die benachbarten Energiespeichermodule über jeweils zwei Strom- und/oder Spannungspfade miteinander verbunden. Jedem Pfad kann dabei ein Transistor zugeordnet sein.
• Beispielsweise sind zwischen zwei benachbarten Energiespeichermodulen drei Transistoren vorgesehen. Die Energiespeichermodule können dadurch z.B. parallel oder in Serie geschaltet werden.
• Multilevelconverter-Systeme sind im Vergleich zu Brückenschaltungen deutlich vielseitiger. So können nahezu beliebige Konfigurationen erzeugt werden. Beispielsweise können die Energiespeichermodule beliebig, z.B. parallel oder in Serie, zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
• Die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, werden derart geschaltet, dass wenigstens ein Energiespeichermodul geheizt wird.
• Vorzugsweise werden dabei künstlich Verluste erhöht. Diese Verluste erzeugen Wärme, welche unmittelbar im Bereich der Energiespeicher abgegeben wird.
• Das Schalten kann vorzugsweise pulsweitenmoduliert (PWM) erfolgen.
• Wenigstens ein Transistor, vorzugsweise alle Transistoren, weist/en eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz, 5 Hz, 6 Hz, 7 Hz, 8 Hz, 9 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz oder 100 Hz auf.
• Herkömmlich werden Multilevelconverter-Systeme, die hauptsächlich als variable DC-Spannung bzw. Batteriemanagement-Systeme genutzt werden, vergleichsweise langsam bzw. selten, z.B. weniger als einmal pro Sekunde, geschaltet. Dies liegt daran, dass derartige Systeme leistungsoptimiert sind und Verluste, beispielsweise Schaltverluste, minimiert werden sollen. Die Zwischenkreisspannung muss hierbei auch nur langsam geändert werden, da sich die Anforderungen an die DC-Zwischenkreisspannung nur langsam ändert.
• Erfindungsgemäß sollen Verluste entgegen dem normalen Vorgehen, diese möglichst klein zu halten, jedoch gerade künstlich erhöht werden, um Wärme zu erzeugen.
• Ein Umrichterstrang kann beispielsweise 100 Stufen aufweisen. Der gesamte Umrichterstrang kann daher die 100-fache Frequenz aufweisen.
• Beispielsweise kann die maximale Schaltfrequenz eines Transistors und/oder des gesamten Umrichterstrangs mindestens 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 150 kHz, 200 kHz, 250 kHz, 300 kHz, 400 kHz, 500 kHz, 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 1,1 MHz, 1,2 MHz, 1,3 MHz, 1,4 MHz, 1,5 MHz, 2 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz, 30 MHz, 40 MHz, 50 MHz, 80 MHz, 100 MHz oder 120 MHz betragen.
• Derartige hohe Schaltfrequenzen werden bei Multilevelconverter-Systemen, die als variable DC-Spannung bzw. Batteriemanagement-Systeme genutzt werden, nicht erreicht.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann wenigsten ein Energiespeichermodul direkt mit einer hohen Effizienz geheizt werden.
• Eine zusätzliche, externe Heizung ist hierbei nicht notwendig. So wird die Wärme direkt an der Stelle erzeugt, an der sie Verwendung findet, sodass die Energiespeichermodule direkt erwärmt werden.
• Es fallen dabei keine Wärmetransportverluste an und es werden keine zusätzlichen Komponenten benötigt.
• Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
• Gemäß einer Ausführungsform ist der Transistor als MOSFET ausgebildet oder umfasst einen MOSFET.
• Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) können mit hohen Frequenzen geschaltet werden.
• Als Halbleitermaterial kann beispielsweise Silizium, Galliumnitrid, Galliumarsenid und/oder Siliziumcarbid vorgesehen sein. Auch organische Halbleiter sind grundsätzlich denkbar.
• Beispielsweise ist eine Vorkonditionierung und/oder Betriebsoptimumseinstellung für MOSFETs möglich.
• Nach einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein Energiespeichermodul zum Heizen kurzgeschlossen.
• Bei einem normalen Betrieb sollen Kurzschlüsse üblicherweise vermieden werden, da diese zu Schädigungen der Energiespeichermodule führen können.
• Um ein Energiespeichermodul zu heizen, können hingegen absichtlich Kurzschlüsse erzeugt werden. Durch den auftretenden Kurzschluss entsteht ein Stromfluss, durch den wiederum Wärme entsteht, welche das Energiespeichermodul unmittelbar erwärmt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Energiespeichermodul maximal 1 ms, vorzugsweise 1 µs, bevorzugst 1 ns, kurzgeschlossen.
• Derartig kurze Kurzschlusszeiten sind hauptsächlich bei Multilevelconverter-Systemen möglich.
• Durch die sehr kurzen Kurzschlusszeiten werden Schädigungen der Energiespeichermodule vermieden, da der Strom nie sehr hoch wird. Der Strom nimmt mit der Zeit des Kurzschlusses zu. Die Induktivitäten im Stromkreis bremsen gewisserma-ßen den Anstieg.
• Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Schalten pulsweitenmoduliert.
• Ein maximaler Kurzschlussstrom entspricht dem Quotienten aus der Spannung des Energiespeichermoduls und der Summe der Widerstände des Energiespeichermoduls sowie des Transistors bzw. der Transistoren.
• Beispielsweise ergibt der Kurzschlussstrom bei einer Spannung des Energiespeichermoduls von 4 V, einem Innenwiderstand des Energiespeichermoduls von 10 mΩ und bei zwei Transistoren mit einem Widerstand von jeweils 1 mΩ einen Wert von 333,3 A. Dies ergibt im Kurzschlussfall eine Verlustwärme P = U * I von 1333 W.
• Eine derartig hohe Verlustwärme ist jedoch nicht notwendig und der Batteriegesundheit gegebenenfalls auch nicht zuträglich.
• Vorteilhaft ist eine Begrenzung auf z.B. 10 C, wobei ein C der Entladung des Energiespeichermoduls in einer Stunde entspricht. Beispielsweise entspricht dies einem maximalen Kurzschlussstrom eines Energiespeichermoduls (mit 3 Ah) von I = 10*3A=30A.
• Daher ist es vorteilhaft, dass der Kurzschluss je nach gewünschter Heizleistung pulsweitenmoduliert (PWM) geschaltet wird.
• Der Kurzschluss ist je nach Topologie an unterschiedlichen Transistoren möglich und kann vorzugsweise gleichmäßig verteilt werden.
• Grundsätzlich kann jeder Transistor einen Kurzschluss erzeugen.
• Falls mehrere unterschiedliche Möglichkeiten für einen Kurzschluss bestehen, ist es vorteilhaft, wenn diese gleichmäßig benutzt werden. Dadurch kann eine homogene Erwärmung der Transistoren und des Energiespeichermoduls gewährleistet werden.
• Der Großteil der Verluste entsteht im Energiespeichermodul, während der Wärmeeintrag der Transistoren dabei eine untergeordnete Rolle spielt. Dieser hat aber auch einen positiven Aspekt. Die Leistungselektronik wird bei dieser Art Umrichter häufig auf dem Energiespeichermodul angebracht und die Wärme wird über die Kontakte in das Energiespeichermodul eingebracht. Der Transistor ist beispielsweise direkt über ein Metallmaterial, z.B. Kupfer, mit dem Energiespeichermodul verbunden.
• Ein Kurzschluss kann beispielsweise während der Fahrt eines Fahrzeugs durchgeführt werden. Die Spannung steht im Moment des Kurzschlusses dem Umrichter nicht zur Verfügung. Aufgrund der geringen Kurzschlusszeiten stellt dies jedoch kein Problem dar. Der Umrichterarm bzw. Strompfad wird währenddessen vorzugsweise nicht unterbrochen, sodass folglich kein Lastabbruch und/oder Spannungseinbruch auftritt.
• Es kann lediglich ein, grundsätzlich beliebiges, Energiespeichermodul kurzgeschlossen werden. Alternativ können auch mehrere Energiespeichermodule gleichzeitig kurzgeschlossen werden.
• Beispielsweise werden bei einem Kurzschluss, der zur Ausgangsspannung beiträgt, stets zwei Energiespeichermodule zeitgleich kurzgeschlossen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Schaltfrequenz zum Heizen erhöht.
• Vorzugsweise wird die Schaltfrequenz dabei gegenüber der Schaltfrequenz, welche für den normalen, leistungsoptimierten Betrieb erforderlich ist, erhöht.
• Durch das Erhöhen der Schaltfrequenz werden die Schaltverluste erhöht. Die bewusst erzeugten Verluste führen zu einer Verlustwärme, welche unmittelbar im Bereich der Energiespeicher abgegeben wird.
• Wie auch bei der Variante mit dem künstlich erzeugten Kurzschluss werden hier ebenso Effekte genutzt, welche im normalen, leistungsoptimierten Betrieb gerade unterbunden und/oder vermieden werden sollen.
• Es war überraschend, dass diese Effekte zum gezielten Heizen eines Energiespeichermodules genutzt werden können.
• Nach einer weiteren Ausführungsform werden wenigstens zwei Energiespeichermodule zum Heizen parallel geschaltet.
• Beispielsweise kann der Ausgleichstrom, z.B. Lade- und/oder Entladeverluste, im parallel geschalteten Zustand genutzt werden, um die Energiespeichermodule zu erwärmen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die parallel geschalteten Energiespeichermodule unterschiedliche Ladezustände auf.
• Beispielsweise können Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Ladezuständen genutzt werden, um durch ein paralleles Schalten ein Ladungsgleichgewicht zwischen diesen zu erzeugen.
• Die unterschiedlichen Ladezustände können sich im normalen Betrieb ergeben. Alternativ können diese auch bewusst erzeugt werden.
• Beispielsweise können Energiespeichermodule seriell geschaltet werden, ohne dass andere Energiespeichermodule parallel dazu geschalten werden. Dadurch entladen sich diese im Betrieb stärker als andere Energiespeichermodule. Beim Laden kann dieses Prinzip umgekehrt werden. Beispielsweise können Energiespeichermodule, die weniger stark aufgeladen werden sollen, öfter parallelgeschaltet werden.
• Die Ladungsunterschiede sollten dabei vorzugsweise nicht zu groß sein, um Beschädigungen der Energiespeichermodule zu vermeiden. Ein Ausgleich kann z.B. mittels der Leistungselektronik, z.B. PWM, erfolgen. Dabei können Alterungseffekte und/oder Frequenzabhängigkeiten der Energiespeichermodule berücksichtigt werden.
• Sind die Ladungsunterschiede bekannt, kann die Ladungsverteilung vorzugsweise gleichmäßig erfolgen.
• Beispielhaft kann folgende Spannungsverteilung vorliegen:
1. 1. Energiespeichermodul: 3,5 V
2. 2. Energiespeichermodul: 4,2 V
3. 3. Energiespeichermodul: 4,2 V
4. 4. Energiespeichermodul: 4,2 V
5. 5. Energiespeichermodul: 3,5 V
6. 6. Energiespeichermodul: 4,2 V
7. 7. Energiespeichermodul: 4,2 V
8. 8. Energiespeichermodul: 4,2 V
9. 9. Energiespeichermodul: 3,5 V
• Dabei sind das 1., 5. und 9. Energiespeichermodul stärker entladen.
• Um nun die Energiespeichermodule zu erwärmen, wird z.B. das Energiespeichermodul 1 zu Energiespeichermodul 2 sowie das Energiespeichermodul 5 zu Energiespeichermodul 6 parallelgeschaltet und gleichzeitig Energiespeichermodul 8 zu Energiespeichermodul 9. Wenn die Verluste zu hoch sind, kann eine PWM erfolgen.
• Dadurch wird ein Ausgleichstrom von I= Δ U / R ausgelöst. Im Beispiel befinden sich beim Parallelschalten vier Transistoren in der Ausgleichsschleife.
• Dies führt (bei Vernachlässigung dynamischer Effekte wie z.B. Bremseffekte durch die Induktivität) dazu dass: I = (U [Energiespeichermodul1] - U [Energiespeichermodul2) / (4*R [Transistor] + 2*R [Energiespeichermodul]) als Ausgleichstrom fließt.
• Am gleichen Beispiel bei der oben beschriebenen Variante bedeutet dies, dass ein Energiespeichermodul und die Transistoren zu einem Ausgleichsstrom von I = 0,7 V / (4*1 mΩ + 2*10 mΩ) = 30 A führt. Die Energiespeichermodule werden zum einen durch die Wärme P = I² * R = (30 A)² * 10 mΩ = 8,75 W geheizt, aber auch durch die auftretenden Verluste an den Transistoren.
• Nach diesem ersten Schritt haben sich die Energiespeichermodule 1 und 2 sowie 5 und 6 und entsprechend 8 und 9 spannungsmäßig angeglichen. Die Gleichgewichtsspannung beträgt in diesem Fall 3,85 V:
1. 1. Energiespeichermodul: 3,85 V
2. 2. Energiespeichermodul: 3,85 V
3. 3. Energiespeichermodul: 4,2 V
4. 4. Energiespeichermodul: 4,2 V
5. 5. Energiespeichermodul: 3,85 V
6. 6. Energiespeichermodul: 3,85 V
7. 7. Energiespeichermodul: 4,2 V
8. 8. Energiespeichermodul: 3,85 V
9. 9. Energiespeichermodul: 3,85 V
• Im nächsten Schritt wird das Energiespeichermodul 2 zu Energiespeichermodul 3 parallel geschaltet, ebenfalls 5 zu 4 und 7 zu 8.
• Dabei entsteht bei einem Ausgleichsstrom von I = 0,35 V / (4*1 mΩ + 2*10 mΩ) = 15 A eine Verlustwärme von P = I² * R = (15 A)² * 10 mΩ = 2,25 W.
• Im letzten Schritt kann nun die Wärmeverteilung äquivalent auf alle Energiespeichermodule verteilt werden. Es sind hierbei unterschiedliche Methoden möglich, die Verluste auf alle Energiespeichermodule zu verteilen. Das hier gezeigte Vorgehen gibt nur die einfachste Verteilung an. Dabei ist es beispielsweise denkbar, die Ladevorgänge immer wieder schnell zu unterbrechen und nie einen vollständigen Ausgleich hervorzurufen, sondern in kleinen Teilschritten zu verteilen. Ebenfalls kann z.B. auf unterschiedliche Ausgangstemperaturen und/oder Anbindungen an den Kühlkreislauf eingegangen werden. Alternativ oder zusätzlich könnten etwaige Alterungsunterschiede kompensiert werden.
• Dieses Vorgehen kann beispielsweise im laufenden Betrieb des Umrichters angewendet werden. Dazu werden die Energiespeichermodule zum Beispiel nach au-ßen hin überbrückt und ein Kurzschluss kann z.B. lediglich intern erzeugt werden.
• Ein Fahrzeug kann hierbei beispielsweise ohne Einbußen für den Kunden auf Betriebstemperatur und/oder vor einem Laden auf die beste Ladetemperatur gebracht werden.
• Ein Überbrücken nach außen hin ist möglich, da die oberen Transistoren der Energiespeichermodule beim Parallelschalten ohnehin geschlossen werden müssen.
• Die Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Ladezuständen können durch Parallelschalten aufgeheizt werden, wobei Lade- und Entladeverluste entstehen. Die Lade- bzw. Entladeleistung variiert bei den meisten Energiespeichermodulen. Beispielsweise kann die Ladeleistung, z.B. 10 C, geringer sein als die Entladeleistung, z.B. 3 C. Die Ladeleistung ist hierbei die beschränkende Variable, um das Energiespeichermodul nicht zu beschädigen.
• Die zu heizenden Energiespeichermodule können zur Erzeugung der Ausgangsspannung verwendet werden. Hier kann es zu einer Überlagerung mit einem Laststrom, der z.B. vom Motor- bzw. Stromnetzbetriebspunkt abhängt, kommen.
• Alternativ werden die zu heizenden Energiespeichermodule nicht zur Erzeugung der Ausgangsspannung verwendet. Dadurch kann der Ausgleichsstrom sehr genau vorherbestimmt werden.
• Nach einer weiteren Ausführungsform ändert sich die Konfiguration der eingebundenen Energiespeichermodule über die Zeit.
• Durch die Auswahl unterschiedlicher Konfigurationen kann, z.B. beim Fahren, die Temperatur geregelt werden. So kann beispielsweise bei zu kalten Energiespeichermodulen eine Konfiguration mit hohen Verlusten ausgewählt werden.
• Vorzugsweise kann sich die Konfiguration in jeder Stufe ändern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der Konfiguration innerhalb einer Stufe erfolgen.
• Die Energiespeichermodule können in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
• Ein Ausschließen kann beispielsweise durch Schließen eines, z.B. oberen, Schalters erfolgen, sodass kein Strom durch das entsprechende Energiespeichermodul fließt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Energiespeichermodul zum Heizen alleine oder mit wenigstens einem anderen Energiespeichermodul in Serie geschaltet.
• Verluste der Energiespeichermodule berechnen sich gemäß P = I² * R [Energiespeichermodul]. Die Verluste sind von der Anzahl parallel geschalteter Energiespeichermodule abhängig.
• Wird lediglich die Hälfte an Energiespeichermodulen in die Konfiguration eingebunden, verdoppeln sich die Verluste.
• Zum, beispielsweise selektiven, Heizen können zum Beispiel Konfigurationen gewählt werden, bei denen Energiespeichermodule alleine in Reihe geschaltet sind, ohne parallele Energiespeichermodule zur Reduktion des Stroms.
• Das Heizen kann hierbei beispielsweise während der Fahrt durchgeführt werden. Der Laststrom kann durch Verschaltung der Energiespeichermodule so verteilt werden, dass sich die Energiespeichermodule maximal erwärmen.
• Auch bei einem Stillstand des Fahrzeugs kann ein Heizen erfolgen. Zur Erzeugung eines Laststroms kann hierzu ein Strom durch Anhebung eines Sternpunktes eines Elektromotors erzeugt werden. Dadurch kann zwischen den einzelnen Phasen hin und her geladen werden.
• Beispielsweise kann bei einem dreiphasigen Aufbau mit U1 = 100 V, U2 = 50 V und U3 = 100 V ein Laden der Phase 2 aus der Phase 3 und Phase 1 erfolgen. Wenn diese rein seriell geschaltet werden, ohne Ausnutzung der Parallelschaltmöglichkeit, können die Verluste maximiert werden.
• Alternativ oder zusätzlich können bei einer Erzeugung dieses Laststroms alle Energiespeichermodule parallel geschaltet werden, um gleichzeitig alle zu erwärmen. Dieser Offset kann beispielsweise während der Fahrt erzeugt werden, wenn noch nicht die maximale Ausgangsspannung am Motor benötigt wird.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind keine zusätzlichen Komponenten wie z.B. Heizelemente oder Versorgungsleitungen notwendig.
• Ferner ist keine Überwachung der Wärmeverteilung notwendig, da die Temperatur direkt an den Energiespeichermodulen erzeugt wird.
• Es wird ein individuelles Aufheizen der Energiespeichermodule möglich, sodass keine Gefahr von ungleichmäßiger Erwärmung besteht und/oder Inhomogenitäten im System ausgeglichen werden können.
• Die Wärme entsteht an der Stelle, an der sie benötigt wird und muss nicht erst durch das Gehäuse und/oder alle Wicklungen der Energiespeichermodule geleitet werden. Der Wirkungsgrad der Energiespeichermodule wird somit ab Betriebsbeginn gesteigert und der thermische Stress des Gesamtaufbaus minimiert.
• Vorzugsweise ist die Wärmeabgabe stufenlos einstellbar, da z.B. durch eine Pulsweitenmodulation die Erwärmung in beliebigen Zeitschritten eingestellt werden kann.
• Die Erfindung betrifft auch ein Multilevelconverter-System zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel und/oder in Serie geschaltet ist.
• Das System umfasst eine Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart zu schalten, dass wenigstens ein Energiespeichermodul geheizt wird.
• Wenigstens ein Transistor weist eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz auf.
• Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile des Multilevelconverter-Systems sind vorzugsweise dazu ausgebildet, z.B. mittels einer Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, vorzugsweise auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden. Beispielsweise können zwei oder mehr der Heizverfahren auch - je nach Bedarf - gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-System,
• 2 einen Verlauf der Ausgangsspannung eines PWM-Systems gemäß Stand der Technik,
• 3 einen Verlauf der Ausgangsspannung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems,
• 4 eine (verlust)leistungsoptimierte Konfigurationen eines MMC-Systems gemäß Stand der Technik,
• 5 eine Konfiguration einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zum Heizen von Energiespeichermodulen, und
• 6 eine Konfiguration einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zum Heizen von Energiespeichermodulen.
• Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelne Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Die Konfiguration und/oder Anzahl an gezeigten Energiespeichermodulen, Pfaden und Transistoren ist rein beispielhaft und grundsätzlich beliebig.
• Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.
• 1 zeigt ein Multilevelconverter-System zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls 10, 12, 14, 16.
• Benachbarte Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 sind jeweils über mehrere Pfade miteinander verbunden.
• In jedem Pfad ist ein als Transistor 18 ausgebildeter Schalter vorgesehen.
• Die benachbarten Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 können somit in Serie oder parallel zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 bei Bedarf, z.B. durch Schließen des oberen Schalters 18, überbrückt und auf diese Weise von einer Konfiguration ausgeschlossen werden.
• In 2 ist der Spannungsverlauf U über die Zeit t einer PWM-Modulation dargestellt.
• Für eine dreiphasige DC/AC-Systemkopplung werden hierbei sechs Schalter benötigt.
• Bei einer B6-Brücke oder einem Zweipunktumrichter wird die DC-Spannung über mehrere bzw. einen Schalter synchron eingeschaltet, sodass sich lediglich im Zeitmittel eine Wechselspannung einstellt.
• Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch die Ausgangsspannung 22 des PWM-Systems daher nur rudimentär nachempfunden.
• 3 zeigt den Spannungsverlauf U in Volt über die Zeit t in Sekunden eines MMC-Systems.
• Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch den Aufbau einzelner Stufen 24 nachgebildet. Die Ausgangsspannung 24 bildet die sinusförmige Sollspannung 20 daher deutlich besser nach.
• In 4 ist eine (verlust)leistungsoptimierte Konfiguration eines MMC-Systems gezeigt. Die Spannung U ist in Volt über die Zeit t in Sekunden dargestellt.
• Beispielhaft wird gezeigt, wie die ersten drei Spannungsstufen durch eine Parallelschaltung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gebildet werden können.
• Um die Leistung zu optimieren und den besten Wirkungsgrad zu erhalten, sind in jeder Stufe stets sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in die Konfiguration eingebunden.
• 5 zeigt hingegen eine Konfiguration, bei der sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in Serie geschaltet sind. Dies führt zu einer maximalen Heizleistung.
• In diesem Beispiel wird das Energiespeichermodul 10 am stärksten und das Energiespeichermodul 16 am wenigsten geheizt.
• In 6 ist eine Konfiguration dargestellt, in der das Energiespeichermodul 10 die maximale Heizleistung erfährt, da sich dieses stets alleine im Strompfad befindet.
• In der ersten Stufe ist das Energiespeichermodul 10 alleine und in den weiteren Stufen in Serie mit wenigstens einem der anderen Energiespeichermodule 12, 14, 16 geschaltet.
• Die in 5 und 6 dargestellten Konfigurationen sind rein beispielhaft. Je nachdem, welches oder welche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 erhitzt werden sollen, sind ebenso andere Konfigurationen denkbar.
• Da jedes Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 separat angesteuert werden kann, können auch kleinste Unterschiede ausgeregelt werden. Beispielsweise kann ein Kühlsystem eines Fahrzeugs Ungleichheiten der Kühlmitteltemperaturen aufweisen, welche aktiv ausgeregelt werden können. Ferner ist es möglich, dass die Temperatur einzelner Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 dynamisch für bestimmte Lastfälle angehoben wird.
• Bezugszeichenliste

10, 12, 14, 16

Energiespeichermodul

18

Transistor

20

Sollspannung

22

Ausgangsspannung PWM-System

24

Stufe, Ausgangsspannung MMC-System

U

Spannung

t

Zeit

Claims (10)

1. Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls (10, 12, 14, 16) mit einem Multilevelconverter-System, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen (10, 12, 14, 16) und Transistoren (18) bereitgestellt wird, wobei jedes Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) parallel und/oder in Serie geschaltet werden kann, und die Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16), vorzugsweise die Transistoren (18), derart geschaltet werden, dass wenigstens ein Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) geheizt wird, wobei wenigstens ein Transistor (18) eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (18) als MOSFET ausgebildet ist oder einen MOSFET umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) zum Heizen kurzgeschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) maximal 1 ms, vorzugsweise 1 µs, bevorzugst 1 ns, kurzgeschlossen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten pulsweitenmoduliert erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz zum Heizen erhöht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) zum Heizen parallel geschaltet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) unterschiedliche Ladezustände aufweisen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konfiguration der eingebundenen Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) über die Zeit ändert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeichermodul (10) zum Heizen alleine oder mit wenigstens einem anderen Energiespeichermodul (12, 14, 16) in Serie geschaltet wird.

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