DE102022120570B3

DE102022120570B3 - Verfahren und Schaltung zu einer modularen Multilevelbatterie mit integriertem Nebenanschluss und Ladungsausgleich

Info

Publication number: DE102022120570B3
Application number: DE102022120570.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Nima Tashakor; Farzad Iraji; Jan Kacetl
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2042-08-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rekonfigurierbare modulare Multilevelbatterie. Basierend auf einem Strang mehrerer Gleichstrommodule bzw. Batteriemodule (191, 192, 193, 194) wird eine neuartige Topologie vorgeschlagen, welche einen variablen Zwischenspannungskreis mit einem Hauptanschluss und mit einem über Einstellen eines Tastgrades unabhängig steuerbaren Nebenanschlusskreis (180) für einen wahlweise galvanisch isolierten Nebenanschluss aufweist. Hierfür ist vorteilhaft nur eine Minimalzahl an zusätzlichen Komponenten notwendig. Diese erfindungsgemäße Topologie zeigt bereits ein inhärentes Ladungsausgleichsverhalten, welches ein Entladungsverhältnis bei stärker aufgeladenen Batteriemodulen (191, 192, 193, 194) leicht erhöht. Zusätzlich wird ein aktives Ladungsausgleichsverfahren über einen integrierten Nebenanschluss vorgeschlagen, wodurch der Ladungsausgleich während Fahren, Aufladen und Leerlauf möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer modularen Multilevelbatterie, welches sowohl einen integrierten Nebenanschluss als auch einen Ladungsausgleich bereitstellt. Ferner wird eine modulare Multilevelbatterie beansprucht, auf welchem das Verfahren ausgeführt wird.
Intelligent geschaltete Gleichstrombatterien bieten gegenüber bisherigen Gleichstromquellen eine Vielzahl an Vorteilen, darunter verbesserte Flexibilität, höhere Steuerbarkeit durch mehr Freiheitsgrade, bessere Ausgabequalität und einfachere Skalierbarkeit. Wie bspw. bei Elektrofahrzeugen müssen in vielen Anwendungen für verschiedene Verbraucher jedoch mehr als eine Ausgangsspannung bereitgestellt werden, manche davon auf Grund von Sicherheitsvorschriften auch galvanisch isoliert. Bei den gegenwärtig aus dem Stand der Technik bekannten Systemen, versorgen voneinander unabhängige Wandler die notwendigen Ausgänge unter jeweiliger Berücksichtigung von Isolationsstandards. Nachteilig erfordert dies eine Mehrzahl redundant angeordneter Bauteile wie Spannungswandler, Wechselrichter und weiterer aktiver und/oder passiver elektronischer Komponenten mit entsprechenden Kosten. Zudem bedingt ein ausgedehnter Einsatzbereich der modularen Multilevel-Batterie eine Verwendung von kostenintensiveren Hochvolt-Bauteilen am Eingang angeschlossener Komponenten.
Zusätzlich wird in einem Fahrzeug auch ein Niederspannungsversorgungsnetz mit gegebenenfalls galvanisch isolierten Anschlussmöglichkeiten erwartet. Hier stellen rekonfigurierbare Gleichstrombatterien zusammen mit konventionellen Wandlern ein interessantes Konzept dar, da sie an die jeweilige Aufgabenstellung auf einfache Weise angepasst werden können. So ist ein variabler Gleichstromzwischenkreis möglich, welcher einen Arbeitspunkt von Wechselrichter und Motor steuert. Auch ist eine Vielzahl von Anwendungen mit einer Minimalzahl an zusätzlichen Halbleiter-Bauteilen umsetzbar. Schließlich wird die Möglichkeit zum Spannungsausgleich bereitgestellt.
Nach dem Stand der Technik ist pro Nebenanschlussverbraucher mindestens ein kompletter Batteriestrang oder eine Leistungswandlerstufe notwendig. Obwohl es möglich ist, durch Abgriff zwischen mehreren, sich teilweise überlappenden Gruppen von Modulen eines Batteriestranges einer solchen rekonfigurierbaren Batterie unterschiedliche Lasten zu versorgen, ist eine Steuerung hierzu nur sehr eingeschränkt möglich, da jeweilig erhaltene Versorgungsströme durch die miteinander geteilten Module gekoppelt sind. So muss eine Ausgleichsladung von einem Modul, welches nicht mit mehreren Lasten verschaltet ist, zu den mehrfach belasteten Modulen übertragen werden, während Steuerungsvorgaben dem entgegenstehen können. Zudem kann eine generierte Versorgungsspannung Störungen aufweisen und/oder es können zusätzliche Halbleiter-Bauelemente notwendig werden. Dem mit zusätzlicher Aufladung in einem Teil des Stranges begegnen zu wollen, verstärkt nachteilig nicht nur den Aufwand zum Ladungsausgleich sondern auch dadurch bedingte Verluste. Außerdem benötigt jeder Abgriff eigene passive Filter bzw. Entkopplungsfilter, welche nachteilig einen Platz- und/oder Gewichtsbedarf des Systems erhöhen.
Die Druckschrift DE 11 2014 001 885 T5 offenbart eine Spannungsausgleichsvorrichtung für ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteten Batteriezellen. Durch die Spannungsausgleichsvorrichtung können einzelne Batteriezellen bedarfsweise elektrisch miteinander verbunden werden.
In der Druckschrift DE 11 2018 005 834 T5 wird ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteten Batteriezellen beschrieben. Jeder Batteriezelle ist ein Schaltkreis zugeordnet, durch den die Batteriezelle mit einem Batteriemodul verbunden oder funktionell von ihm getrennt werden kann. Zum Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen können einzelne Batteriezellen bedarfsweise elektrisch vom Batteriemodul separiert werden.
Die europäische Druckschrift EP 3 316 440 A1 offenbart ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteten Batteriezellen und einem Konverter. Das Batteriesystem umfasst eine aktive Ladezustandsausgleichseinheit, die eingerichtet ist, ein Tastverhältnis des Konverters zu steuern, um Ladezustände der Batteriezellen auszugleichen.
Die Druckschrift DE 10 2016 105 012 A1 offenbart ein Batteriesystem mit einer Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteten Batteriezellen und einem speziellen Gleichspannungswandler. Mit jeder Batteriezelle ist ein induktives Speicherelement des Gleichspannungswandlers als Primärwicklungselement verbunden.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung einer rekonfigurierbaren Batterie zur Verfügung zu stellen, welches eine Versorgung sowohl eines Hauptverbrauchers als auch eines Nebenanschlusses gewährleistet. Die Einbindung des Nebenanschlusses soll dabei möglichst wenige elektronische Bauelemente und keine zusätzliche Steuereinheit erfordern. Ferner soll eine Schaltung bereitgestellt werden, auf welcher das Verfahren umsetzbar ist.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung einer modularen Multilevelbatterie mit integriertem Nebenanschluss vorgeschlagen, wobei die modulare Multilevelbatterie mindestens einen Strang mit einer Zahl N an wiederaufladbaren Batteriemodulen und einen Zwischenspannungskreis aufweist. Ein jeweiliges Batteriemodul weist mindestens einen Energiespeicher und mehrere steuerbare Halbleiterschalter, durch die der mindestens eine Energiespeicher einem Stromverlauf im Strang hinzuschaltbar ist, auf. Der Zwischenspannungskreis wird durch den mindestens einen Strang, einen zwischengeschalteten Energiespeicher, an dessen beiden Anschlüssen ein Hauptanschluss angeordnet wird, und mindestens einen Nebenanschluss gebildet. Der mindestens eine Nebenanschluss wird durch eine Induktivität, welche mit einem Nebenanschlusskreis verbunden ist, gebildet. Durch Steuerung der Batteriemodule des mindestens einen Strangs wird für eine Zwischenkreisspannung ein Gleichspannungssignal $V_{d c} = m N \bar{v_{M o d u l}}$
mit einer überlagerten hochfrequenten Pulsspannung, welche einen Tastgrad $D = m N - ⌊ m N ⌋$
aufweist, gebildet, wobei m ein Modulationsindex und $\bar{v_{M o d u l}}$
eine gemittelte Modulspannung ist. Die Steuerung der Batteriemodule wird mittels Pulsdauermodulation mit phasenverschobenen Trägersignalen ausgeführt.
Man beachte die Gaußklammer als Notation einer Abrundungsfunktion für den von ihr umschlossenen Inhalt [mN]. Der Modulationsindex m ist das maximale An/Aus-Verhältnis der Halbleiterschalter. Im erfindungsgemäßen Verfahren führt jeder Modulationsindex zu einem eindeutigen Gleichspannungssignal am Hauptanschluss, während eine gleiche Nebenanschlussspannung durch verschiedene Modulationsindexe hervorgerufen werden kann.
Der zwischengeschaltete Energiespeicher wird durch jede Art von Energiequelle bzw. Energielast gebildet, wie bspw. ein Kondensator, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, eine Brennstoffzelle, oder ein elektronischer Schaltkreis.
Der Hauptanschluss wird bspw. mit einer Gleichstromquelle und/oder mit einem Inverter und einer Wechselspannungslast und/oder mit dem Inverter und einer Wechselspannungsquelle verbunden.
Während die Zwischenkreisspannung unmittelbar durch die Modulation gesteuert wird, wird eine Energieübertragungsrate auf den mindestens einen Nebenanschluss allein durch den Tastgrad bestimmt. Durch den zwischengeschalteten Energiespeicher wird im Zwischenspannungskreis die Gleichspannungskomponente der Ausgangsspannung des mindestens einen Stranges herausgenommen, so dass der im Zwischenspannungskreis integrierte mindestens eine Nebenanschluss nur noch das hochfrequente Pulsspannungssignal sieht.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Nebenanschlusskreis des mindestens einen Nebenanschlusses und der Zwischenspannungskreis mittels eines Transformators galvanisch getrennt. Die Induktivität des mindestens einen Nebenanschlusses wird durch eine Primärwicklung des Transformators gebildet. Eine Sekundärwicklung des galvanisch trennenden Transformators ist mit dem Nebenanschlusskreis verbunden, wobei der Nebenanschlusskreis eine Gleichspannungslast oder eine Gleichspannungsquelle umfasst. Damit wird der Nebenanschlusskreis durch das erfindungsgemäße Verfahren in den Zwischenkreis integriert.
Durch Modifikation des Modulationsindexes, der Schaltfrequenz und der jeweiligen Phasenverschiebung des dem jeweiligen Batteriemodul zugeordneten Trägersignals wird einerseits das Gleichspannungssignal zur Versorgung einer mit dem Hauptanschluss verbundenen Last, bspw. einer über einen Inverter versorgten Wechselspannungslast, welche bspw. ein Traktionsmotor für ein elektrisches oder teilelektrisches Fahrzeug sein kann, gesteuert. Andererseits wird durch Steuerung des Tastgrades des Pulsspannungssignals der mindestens eine Nebenanschluss versorgt.
Das resultierende Pulsspannungssignal ist ein asymmetrisches quadratisches Wellensignal, wobei Spannungsamplitude und Tastgrad des Pulsspannungssignals linear abhängig sind durch: $V_{P +} = (1 - D) v_{M}$
$V_{P -} = - D v_{M}$
Damit reduziert ein anwachsender Tastgrad D die positive Amplitude V_P+ des Pulsspannungssignals und lässt die negative Amplitude V_P- anwachsen. Die Beträge der positiven Amplitude und der negativen Amplitude der Pulsspannungssignale können damit gesteuert werden, wodurch zusammen mit einem Inverter und vorzugsweise auch dem Transformator des Nebenanschlusskreises ein komplett steuerbarer Zwischenspannungskreis gebildet wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Nebenanschlusskreis eine Gleichrichterstufe auf, wobei während eines Betriebes der modularen Multilevelbatterie der Tastgrad D auf einen Wert kleiner oder gleich als ein halb eingestellt wird. Dies hat einen Energieübertrag aus dem Zwischenspannungskreis in den Nebenanschlusskreis während einer positiven Amplitude des Pulsspannungssignals zur Folge, wodurch Batteriemodule mit einem höheren Ladezustand gegenüber Batteriemodulen mit einem niedrigeren Ladezustand in dem mindestens einen Strang stärker entladen werden und sich die Ladezustände aller Batteriemodule ausgleichen.
Je nach Topologie des Inverters, der Wicklung des Transformators, und auch der von den Spannungspulsen zu versorgenden Last, kann der Energieübertrag auf den Nebenanschlusskreis während positiver und/oder negativer Spannungspulse stattfinden. Im Falle einer Gleichrichterstufe findet die Energieübertragung für D kleiner gleich ein halb während positiver Spannungspulse, und für D größer als ein halb während negativer Spannungspulse statt. Im Falle einer Einweggleichrichtung findet je nach Topologie die Energieübertragung unabhängig von D vorzugsweise während positiver Spannungspulse statt. In Abhängigkeit des jeweiligen Energieübertragungsfalls entladen Batteriemodule bei höherem Ladezustand während positiven Spannungspulsen etwas mehr, bei geringerem Ladezustand während negativen Spannungspulsen etwas mehr, und bei gleichartigem Ladezustand sowohl während positiven wie negativen Spannungspulsen ähnlich.
Damit ist ein inhärenter Ladungsausgleichsmechanismus möglich, falls die Energieübertragung während positiven Spannungspulsen stattfindet. Hierzu müssen je nach Wahl der Topologie, entweder Spannungen an den Dioden im Inverter im Nebenanschlusskreis und/oder die Windungskopplung beim Transformator geeignet gewählt werden. Allerdings ist in manchen Topologien eine Steuerung des Tastgrades für den Ladungsausgleich unumgänglich.
Der Ladungsausgleich kann in einem offenen Regelkreis ohne Sensoren, welche bspw. den Ladezustand der jeweiligen Batteriemodule messen, stattfinden. Der generelle Steuerungsablauf hierzu ähnelt dem allgemeinen Steuerungsverfahren, mit dem kleinen Unterschied, dass nur die Modulationsunterschiede, welche zu einem Energieübertrag führen, nutzbar sind. Falls die Spannung des Hauptanschlusses (entspricht der Zwischenkreisspannung) unwichtig ist, bspw. wenn am Hauptanschluss keine Last oder Quelle angeschlossen sind, ist der optimale Modulationsindex m^opt=0, wodurch eine Effektivität des Ladungsausgleichs gesteigert wird und eine Belastung des zwischengeschalteten Energiespeichers reduziert wird.
In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Modulationsindex jedes Batteriemoduls seinem jeweiligen Ladezustand entsprechend in einem geschlossenen Regelkreis (siehe auch 7) angepasst. Der Ladezustand kann bspw. über Messsensoren vorliegen. Dadurch wird vorteilhaft eine Geschwindigkeit, mit der der Ladungsausgleich stattfindet, gegenüber einem ungeregelten Vorgang gesteigert.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Nebenanschlusskreis des mindestens einen Nebenanschlusses einen Mehrfachwicklungstransformator mit N Sekundärwicklungen und als Primärwicklung die Induktivität des mindestens einen Nebenanschlusses auf. Eine jeweilige Sekundärwicklung wird über eine Gleichrichtung mit dem mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Batteriemoduls verbunden. Dadurch wird ein integrierter aktiver Ladungsausgleich realisiert, und zwar ohne einer aktiven Regelung zu bedürfen. Der Ladungsausgleich wird auch unabhängig von der Zwischenkreisspannung ausgeführt. Zudem sind keine zusätzlichen Sensoren notwendig.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform wird an einem ersten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ein Nebenanschlusskreis für den integrierten aktiven Ladungsausgleich realisiert, und an einem zweiten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ein Nebenanschlusskreis für eine Gleichstromversorgung bereitgestellt. Hierzu werden entweder die jeweiligen Induktivitäten der beiden Nebenanschlüsse im Zwischenspannungskreis seriell miteinander verbunden oder die jeweiligen Nebenanschlusskreise werden mit einer beiden Nebenanschlüssen gemeinsamen Induktivität gekoppelt.
Die erfindungsgemäßen Verfahren bestechen durch ihre Einfachheit und schneller Erweiterbarkeit zu einer beliebigen Zahl an Modulen und/oder vielfältigen Topologien. Außerdem wird ein sich in den normalen Ablauf nahtlos einbettendes Ladungsausgleichsverfahren aufgezeigt, welches auch auf konventionelle Ladungsausgleichsstrategien übertragen werden kann. Alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind mit einem Strang an Modulen, welche eine beliebige Mikrotopologie aufweisen können, umsetzbar und sind untereinander kombinierbar.
Ferner wird eine modulare Multilevelbatterie mit integriertem Nebenanschluss beansprucht, wobei die modulare Multilevelbatterie eine Steuerungseinheit, mindestens einen Strang mit einer Zahl N an wiederaufladbaren Batteriemodulen, einen Hauptanschluss und einen Zwischenspannungskreis mit mindestens einem Nebenanschluss umfasst. Ein jeweiliges Batteriemodul weist mindestens einen Energiespeicher und mehrere steuerbare Halbleiterschalter, durch die der mindestens eine Energiespeicher einem Stromverlauf im Strang hinzuschaltbar ist, auf. Der Zwischenspannungskreis ist durch den mindestens einen Strang, einen zwischengeschalteten Energiespeicher, an dessen beiden Anschlüssen der Hauptanschlusses angeordnet ist, und mindestens einen Nebenanschluss gebildet, wobei der mindestens eine Nebenanschluss durch eine Induktivität, welche mit einem Nebenanschlusskreis verbunden ist, gebildet ist. Die Steuerungseinheit der Batteriemodule des mindestens einen Strangs ist dazu konfiguriert, im Zwischenspannungskreis mittels Pulsdauermodulation mit phasenverschobenen Trägersignalen ein Gleichspannungssignal $V_{d c} = m N \bar{v_{M o d u l}}$
mit einer überlagerten hochfrequenten Pulsspannung, welche einen Tastgrad D = mN - [mN] aufweist, zu erzeugen. Dabei ist m ein Modulationsindex und $\bar{v_{M o d u l}}$
eine gemittelte Modulspannung.
In einer Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie sind der Nebenanschlusskreis des mindestens einen Nebenanschlusses und der Zwischenspannungskreis mittels eines Transformators galvanisch getrennt. Die Induktivität des mindestens einen Nebenanschlusses ist durch eine Primärwicklung des Transformators gebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie weist der Nebenanschlusskreis eine Gleichrichterstufe auf. Die Steuerungseinheit ist dazu konfiguriert, den Tastgrad auf einen Wert kleiner oder gleich als ein halb einzustellen, wodurch ein Energieübertrag aus dem Zwischenspannungskreis in den Nebenanschlusskreis während einer positiven Amplitude des Pulsspannungssignals erfolgt. Dadurch werden Batteriemodule mit einem höheren Ladezustand gegenüber Batteriemodulen mit einem niedrigeren Ladezustand in dem mindestens einen Strang stärker entladen und gleichen sich die Ladezustände aller Batteriemodule aus.
In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie ist die Steuerungseinheit dazu ausgestaltet, den Modulationsindex jedes Batteriemoduls entsprechend seinem jeweiligen Ladezustand in einem geschlossenen Regelkreis anzupassen.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie weist der Nebenanschlusskreis des mindestens einen Nebenanschlusses einen Mehrfachwicklungstransformator mit N Sekundärwicklungen und als Primärwicklung die Induktivität des mindestens einen Nebenanschlusses auf. Eine jeweilige Sekundärwicklung ist über eine Gleichrichtung mit dem mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Batteriemoduls verbunden, wodurch ein integrierter aktiver Ladungsausgleich realisiert ist.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie ist an einem ersten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ein Nebenanschlusskreis für den integrierten aktiven Ladungsausgleich realisiert. An einem zweiten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ist ein Nebenanschlusskreis für eine Gleichstromversorgung bereitgestellt. Entweder sind die jeweiligen Induktivitäten der beiden Nebenanschlüsse im Zwischenspannungskreis seriell miteinander verbunden oder die jeweiligen Nebenanschlusskreise sind mit einer beiden Nebenanschlüssen gemeinsamen Induktivität gekoppelt.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie ist der Hauptanschluss mit einer Wechselstromlast oder einer Wechselstromquelle verbunden, wobei der zwischengeschaltete Energiespeicher ein bipolarer Kondensator ist. Die Steuerungseinheit ist dazu konfiguriert, das Gleichspannungssignal auf verschiedene Spannungsstufen, welche in einem zeitlichen Verlauf einer niederfrequenten Wechselspannung folgen, zu schalten. Dadurch ist am Hauptanschluss eine niederfrequente Phase gebildet.
In einer anderen Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie ist durch jedes Batteriemodul eine jeweilige Phase gebildet, welche über einen jeweiligen Tiefpassfilter mit einer jeweiligen Wechselstromlast oder einer jeweiligen Wechselstromquelle verbunden ist.
Die Topologie der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie weist alle Vorteile von aus dem Stand der Technik bekannten rekonfigurierbaren Batterien auf, wie bspw. hervorragende Spannungsquantisierung, Flexibilität, Fehlertoleranz, Batteriemanagementfunktionalität, d. h. Steuerungsmöglichkeiten zur Entladung, Wiederaufladbarkeit, und Ladungsausgleich. Zusätzlich zeichnet die neue Topologie aus, dass keine zusätzlichen aktiven Schalter notwendig sind, um einen Nebenanschluss, welcher einen Gleichstrom bereitstellt, zu erzeugen. Sie weist vergleichsweise eine Minimalzahl an passiven Komponenten auf, da sie ausschließlich bereits vorhandene passive Komponenten verwendet. Die höhere effektive Schaltfrequenz im integrierten Nebenanschluss führt vorteilhaft zu geringeren Belastungen der Komponenten. Es bestehen im Vergleich geringere Anforderungen an die Isolationsspannungen aller Komponenten am Nebenanschluss. Zudem kann bei der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie ohne einen Einsatz von Messsensoren ein Ladungsausgleich stattfinden, und zwar im Leerlauf, d. h. nur die Nebenaggregate ziehen Strom, während der Fahrt, d. h. sowohl Nebenaggregate wie auch der Inverter zum Hauptverbraucher arbeiten, und während einem Aufladungsprozess.
Die modulare Multilevelbatterie wird auch als eine rekonfigurierbare Batterie bezeichnet. Eine Steuerung einer solchen rekonfigurierbaren Batterie ist bspw. dazu konfiguriert, den mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Batteriemoduls seriell oder parallel oder unter Umgehung mindestens einen Energiespeichers eines benachbarten Moduls mit mindestens einem Energiespeicher eines anderen Moduls zu verschalten. Ein System mit solcher Art an Batteriemodulen wird bspw. beschrieben 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.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt eine schematische Schaltung in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.
2 zeigt ein Zwischenkreisspannungsverlauf in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt Verläufe von Pulsspannungssignalen zu verschiedenen Tastgraden in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt ein Regelungsschema in einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt Spannungssignale zu einem Modulationsverfahren in einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 zeigt einen Ladungsausgleichsverlauf von Batteriemodulen in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
7 zeigt einen weiteren Regelkreis in einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
8 zeigt eine schematische Schaltung in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.
9 zeigt schematische Schaltungen zu einem Nebenanschlusskreis in einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.
10 zeigt eine schematische Schaltung zu einem aktiven Ladungsausgleich in einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.
11 zeigt schematische Schaltungen zu Nebenanschlusskreisen mit aktivem Ladungsausgleich in einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.
12 zeigt schematische Schaltungen mit Nebenanschlusskreis und aktiver Ladungsausgleichseinheit in einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.
13 zeigt schematische Schaltungen mit einer Wechselspannung am Hauptanschluss in einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.
14 zeigt eine schematische Schaltung mit einer jedem Batteriemodul zugeordneten Phase in einer noch anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie.

In 1 wird eine schematische Schaltung 100 in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie gezeigt. Ein Strang 190 mit einer Anzahl N=4 Batteriemodulen 191, 192, 193, 194 ist in einem Zwischenkreis mit einem zwischengeschalteten Energiespeicher 140, an dessen beiden Anschlüssen sich ein Hauptanschluss mit einer Gleichstromlast 120 befindet, und über eine Induktivität 151 mit einem Nebenanschlusskreis 180 verbunden. Die Gleichstromlast 120 wird durch einen Inverter 122 und eine Wechselstromlast 121 gebildet. An den Hauptanschluss kann auch eine Gleichstromquelle angeschlossen werden. Hierzu wird bspw. in der gezeigten schematischen Schaltung zur Gleichstromlast 120 die Wechselstromlast 121 durch eine Wechselstromquelle, bspw. eine Ladesäule mit Wechselstrom oder eine Steckdose, ausgetauscht, wodurch bspw. die Batteriemodule aufgeladen werden können. Der Nebenanschlusskreis 180 stellt über einen ungeregelten Gleichrichter 160 einen Gleichstromanschluss 170, bspw. für ein Niedervoltversorgungsnetz in einem Fahrzeug, bereit und ist über einen Transformator 150 vom Zwischenspannungskreis galvanisch getrennt. Während eine Sekundärwicklung 152 des Transformators 150 Teil des Nebenanschlusskreises 180 ist, wird die Primärwicklung des Transformators 150 durch die in den Zwischenkreis geschaltete Induktivität 151 gebildet.
In 2 wird ein Zwischenkreisspannungsverlauf 200 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Ein pulsierendes Spannungssignal einer Zwischenkreisspannung 210 ist mit Spannungswerten 202 als y-Achse über die Zeit 201 als x-Achse aufgetragen. Die Zwischenkreisspannung 210 ist aus einem Gleichspannungssignal 211 $V_{d c} = m N \bar{v_{M o d u l}}$
mit einer überlagerten hochfrequenten Pulsspannung 212, welche einen Tastgrad D = mN - [mN] aufweist, zusammengesetzt, was insbesondere im vergrößerten Ausschnitt 299 deutlich wird. Dabei ist m ein Modulationsindex und $\bar{v_{M o d u l}}$
eine gemittelte Modulspannung.
In 3 werden Verläufe 300 von Pulsspannungssignalen zu verschiedenen Tastgraden D=0.25 311, D=0.5 312, D=0.75 313 in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Entlang der Zeitachse 301, mit Spannungswerten 302 entlang der y-Achse, ist beispielhaft an Pulsspannungssignal 311 (D=0.25) eine Zeitdauer bzw. Tastgrad D 318 bei positiver Amplitude 321 und eine Zeitdauer 1-D 319 bei negativer Amplitude 322 dargestellt, wobei eine Zeiteinheit 1 einer Periodendauer entspricht. Das jeweilig resultierende Pulsspannungssignal 311, 312, 313 ist ein asymmetrisches quadratisches Wellensignal (symmetrisch nur bei D=0.5), wobei Spannungsamplitude und Tastgrad des Pulsspannungssignals 311, 312, 313 durch V_P+ = (1 - D)v_m (Gl. 3) und V_P- = -Dv_M (Gl. 4) linear abhängig sind. Damit reduziert ein anwachsender Tastgrad D 318 die positive Amplitude 321 V_P+ des Pulsspannungssignals 311, 312, 313 und lässt die negative Amplitude 322 V_P- anwachsen. Die Beträge der positiven Amplitude 321 und der negativen Amplitude 322 der Pulsspannungssignale 311, 312, 313 sind damit steuerbar. Aus 3 ist ableitbar, dass folgendes gilt:

• Für D 318 kleiner als 0.5 ist der Betrag der positiven Amplitude 321 V_P+ größer als der Betrag der negativen Amplitude 322 V_P-. Die Breite des positiven Pulses bzw. der Tastgrad D 318 ist niedriger als die Breite des negativen Pulses, 1-D319.
• Für D größer als 0.5, wie an Pulssignal 313 zu sehen, ist der Betrag der positiven Amplitude V_P+ größer als der Betrag der negativen Amplitude V_P-. Die Breite des positiven Pulses ist niedriger als die Breite des negativen Pulses.
• Für D gleich 0.5, wie an Pulsspannungssignal 312 zu sehen, entsprechen sich die Beträge der Amplituden und die Breiten des positiven Pulses V_P+ und des negativen Pulses V_P-.

In 4 wird ein Regelungsschema 400 in einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Zusammen mit dem ungeregelten Gleichrichter (s. 1 Bezugszeichen 160) und dem Transformator (s. 1 Bezugszeichen 150) des Nebenanschlusskreises (s. 1 Bezugszeichen 180) wird ein komplett steuerbarer Zwischenspannungskreis gebildet. Das Regelungsschema 400 stellt ein generisches Ablaufdiagramm zu dieser Steuerung dar. Eine Rückkopplungsschleife 410 zum Nebenanschlusskreis weist als Eingangsgrößen für den Gleichstromanschluss (s. 1 Bezugszeichen 170) eine gemessene Spannung 411 V_dc2 und eine Referenzspannung 412 $V_{d c 2}^{r e f}$
auf. Die gemessene Spannung 411 wird gemittelt 413, von der Referenzspannung 412 abgezogen 414 und geht einem Regler 415 zu. Der Regler 415 generiert den Tastgrad D 416 woraus alle möglichen Modulationsindexe errechnet 420 werden und zur Auswahl 430 der in Bezug auf Topologie und Betriebsmodus nächstmöglichen Modulation weitergeleitet. Dieser Auswahl 430 liegt ein durch Gleichung (1) ermittelter optimaler Modulationsindex 434 m^opt, welcher aus Division 433 einer Zwischenkreisreferenzspannung 431 $V_{d c 1}^{r e f}$
und einer gemittelten von allen Batteriemodulen pro Periode erzeugten Gleichspannung 432 $N \bar{v_{M o d u l}}$
erhalten wird, zu Grunde. Das Regelungsschema 400 führt schließlich zu einem Modulationsreferenzindex 439 m.
In 5 werden Spannungssignale 500 zu einem Modulationsverfahren in einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Eine an den jeweiligen Anschlüssen bereitgestellte Anschlussspannung hängt von einer jeweils vorliegenden Topologie des ungeregelten Gleichrichters im Nebenanschlusskreis sowie der Batteriemodule ab. Die Spannungssignale 500, aufgetragen über eine Zeitachse 501 mit Spannungswerten 502 entlang der y-Achse und bei anwachsendem Modulationsreferenzsignal 510, stellen einen typischen Verlauf aus dem erfindungsgemäßen Verfahren dar. Jeder Modulationsindex führt zu einem eindeutigen Gleichspannungssignal 511 am Hauptanschluss. Dagegen können verschiedene Modulationsindexe 513 zu identischen Nebenanschlussspannungen führen. Diese Eigenschaften können zu einer gleichzeitigen Steuerung sowohl des Gleichspannungssignals am Hauptanschluss als auch der Nebenanschlussspannung 512 genutzt werden. Zudem ist ein jeweiliges Profil der Zwischenkreisspannungssignale durch gegeneinander phasenverschobene Trägersignale und einer Trägerfrequenz regelbar.
In 6 wird ein Ladungsausgleichsverlauf 600 von Batteriemodulen entlang einer Zeitachse 601 mit Werten des jeweiligen Ladezustands 602 entlang der y-Achse in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Auf Grund eines Energieübertrags während positiver Amplitude eines den Nebenanschluss versorgenden Pulsspannungssignals (s. 3 Bezugszeichen 311, 312, 313), welcher einerseits inhärent möglich ist, andererseits durch explizite Steuerung befördert wird, gleichen sich die Ladezustände (englisch „state of charge“ und mit SoC abgekürzt) der exemplarisch ausgewählten Batteriemodule 611, 612, 613, 614 an.
In 7 wird ein weiterer Regelkreis 700 in einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der weitere Regelkreis 700 stellt einen geschlossenen Regelkreis für einen Ladungsausgleich unter Energiespeichern der Batteriemodule dar. Hierzu wird gegenüber dem Regelkreis 701, der einen inhärenten Ladungsausgleich für Energieüberträge bei positiven Amplituden des Pulsspannungssignals aufweist und bereits in 4 dargestellt wurde, eine Ladungsausgleichseinheit 703 ergänzt. Die Ladungsausgleichseinheit 703 weist als Eingangsgrößen einen Ladezustand 741 SoC_i eines i-ten Batteriemoduls, bspw. über Sensoren gemessen, und einen gemittelten Ladezustand 742 SoC_avg auf. Aus beiden Eingangsgrößen 741, 742 wird eine Differenz 743 gebildet und Werte 744 k_balance für den Ladungsausgleich ermittelt, welche zu dem aus dem Regelkreis 701 erhaltenen globalen (für alle Batteriemodule gleichen) Modulationsreferenzsignal 739 addiert 740 werden. Daraus resultiert ein Modulationsindex 749 für ein i-tes Batteriemodul. Der in dem Regelungsteil 702 ermittelte optimale Modulationsindex 434 ist ohne Bedeutung, falls der Hauptanschluss nicht in Betrieb ist bzw. dort kein Energieübertrag stattfindet, bspw. bei Motorzustand „Aus“ (trotzdem sollen Nebenverbraucher, bspw. ein Radio, durch den Nebenanschlusskreis versorgt werden können).
In 8 wird eine schematische Schaltung 800 in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie mit integriertem Nebenanschlusskreis 180 gezeigt. Gegenüber der in der 1 gezeigten Ausgestaltung sind am Hauptanschluss zusätzlich eine Gleichspannungsquelle 810 und eine Wechselstromquelle bzw. eine Ladeeinheit über einen weiteren Inverter angeschlossen 830. Der Strang 190 kann dabei eine beliebige Zahl N an Batteriemodulen mit verschiedenen Mikro-Topologien aufweisen und ist nicht auf die dargestellten N=4 Batteriemodule 191, 192, 193, 194 beschränkt. Auch der Nebenanschlusskreis 180 kann verschiedene Topologien aufweisen. Am Hauptanschluss kann jegliche Ausgestaltung einer Gleichspannungslast und/oder Gleichspannungsquelle angeschlossen sein, darunter die gezeigten, aber nicht auf diese beschränkten Ausgestaltungen: die Gleichspannungsquelle 810 bspw. für schnelle Aufladung von Energiespeichern der Batteriemodule 191, 192, 193, 194, oder die über den Inverter betriebene elektrische Maschine 120 für einen Fahrbetrieb, oder die Wechselstromquelle über den weiteren Inverter 830, wodurch bspw. ein Onboard-Ladegerät gebildet werden kann. Die im Transformator gekoppelten Induktivitäten und der zwischengeschaltete Energiespeicher 140, der auch jede Form einer bipolaren Komponente sein kann, bspw. ein bipolarer Kondensator oder eine Wechselstrombatterie mit genügend kleiner Induktivität, bilden einen Tiefpassfilter und/oder einen resonanten Filter. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, zwei im jeweiligen Anschluss voneinander separierbare Gleichspannungen abzugreifen, ohne dabei zusätzliche gesteuerte Halbleiterschalter notwendig zu machen. Zudem müssen die Bauelemente im Nebenanschlusskreis viel geringeren Grenzspannungen genügen, während die gesamte Schaltung von dem inhärenten Ladungsausgleichsmechanismus profitiert.
In 9 werden schematische Schaltungen 981, 982, 983, 984, 985 zu einem Nebenanschlusskreis in einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie gezeigt. Für die Bildung des Nebenanschlusskreises können zumindest die vom Zwischenkreis galvanisch getrennten Schaltungen 981, 982, 983 als grundlegend in Betracht gezogen werden: Schaltung 981 umfasst eine Voll-Brücke mit Dioden und zwei gekoppelten Spulen bzw. Induktivitäten, wobei die Voll-Brücke an die Sekundärwicklung (s. 1 Bezugszeichen 152) angeschlossen ist und Induktivität 951 Teil des Zwischenkreises ist; Schaltung 982 umfasst zwei Dioden mit drei gekoppelten Spulen und Induktivität 952 Teil des Zwischenkreises; Schaltung 983 umfasst eine Einzeldiode mit zwei gekoppelten Spulen, wobei Induktivität 953 Teil des Zwischenkreises ist. Sollte eine galvanische Trennung nicht notwendig sein, kann auch der Nebenanschlusskreis direkt mit der Induktivität 954, 955 im Zwischenkreis verbunden werden, wie in den Schaltungen 984, 985 dargestellt ist. Gegenüber den Schaltungen 981 und 984 zeigen die Schaltungen 982, 983 und 985 eine höhere Effizienz. Während bei den Schaltungen 983 und 985 der Energieübertrag nur während positiver Amplitude der Pulsspannungssignale möglich ist, kann bei den Schaltungen 981, 982 und 984 der Energieübertrag in Abhängigkeit vom Tastgrad D sowohl zwischen positiven wie negativen Amplituden stattfinden. Für einen bidirektionalen Energieübertrag können die Dioden in den Schaltungen 981, 982, 983, 984, 985 durch vollständig steuerbare Halbleiterschalter ersetzt werden.
In 10 wird eine schematische Schaltung 1000 zu einem aktiven Ladungsausgleich in einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie gezeigt. Am Nebenanschluss mit der Induktivität 1051 im Zwischenkreis ist eine Ladungsausgleichseinheit 1010 angeordnet, welche jeweilig mit den Energiespeichern der Batteriemodule 191, 192, 193, 194 verbunden ist. Die restliche Schaltung entspricht den aus 1 oder 8 bekannten Ausgestaltungen. Zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorteilen einer modularen Multilevelbatterie, wie bspw. hohe Steuerbarkeit und Quantisierbarkeit von Spannungsstufen, gesellen sich folgende vorteilhafte Eigenschaften: Die über die Kopplung zu der Induktivität 1051 in den Zwischenkreis integrierte aktive Ladungsausgleichseinheit 1010 benötigt keine eigene aktive Regelung und kann Ladungsausgleichsvorgänge unabhängig der Gleichspannung im Zwischenkreis gestalten; an den in der Ladungsausgleichseinheit 1010 verschalteten Dioden treten die gleichen Spannungswerte wie in den Batteriemodulen 191, 192, 193, 194 auf und erfordern nur einen Bruchteil des im Zwischenkreis fließenden Nennstroms; verglichen mit einer Schaltfrequenz der Batteriemodule 191, 192, 193, 194 arbeiteten mit der Induktivität 1051 gekoppelte Induktivitäten bzw. ein Mehrfachtransformator der aktiven Ladungsausgleichseinheit 1010 bei weitaus höheren Schaltfrequenzen, wodurch vorteilhaft kleinere Spulendimensionierungen erforderlich sind; die im Mehrfachwicklungstransformator der aktiven Ladungsausgleichseinheit 1010 betriebenen gekoppelten Induktivitäten werden an einem Bruchteil einer maximal möglichen Batteriespannung der modularen Multilevelbatterie betrieben und sind eher im Bereich einer Spannung des einzelnen Batteriemoduls 191, 192, 193, 194 angesiedelt; auch ohne stattfindenden Energieübertrag am Hauptanschluss kann über die aktive Ladungsausgleichseinheit 1010 ein Ladungsausgleich ausgeführt werden; der jeweilige Ladungsausgleich von Energiespeichern der Batteriemodule 191, 192, 193, 194, welcher zu einem gleichen Ladezustand dieser Energiespeicher führt.
In 11 werden schematische Schaltungen 1111, 1112, 1113, 1114 zu Nebenanschlusskreisen mit aktivem Ladungsausgleich in einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie gezeigt. Die generisch in 10 mit Bezugszeichen 1010 gezeigte Ladungsausgleichseinheit kann durch verschiedene Topologien ausgestaltet werden, wobei die hier gezeigten Schaltungen 1111, 1112, 1113, 1114 nur eine Auswahl aller möglichen Topologien darstellen: Schaltung 1111 umfasst eine Voll-Brücke mit Dioden und zwei gekoppelten Spulen; Schaltung 1112 umfasst zwei Dioden mit drei gekoppelten Spulen; Schaltung 1113 umfasst eine Einzeldiode mit zwei gekoppelten Spulen; Schaltung 1114 umfasst eine Einzeldiode mit zwei Ladungsausgleichsanschlüssen. Für einen bidirektionalen Energieübertrag zu einem Batteriemodul oder mehreren Batteriemodulen des Strangs, können die Dioden in den Schaltungen 1111, 1112, 1113, 1114 durch vollständig steuerbare Halbleiterschalter ersetzt werden. Ähnlich zu den voranstehend erläuterten Nebenanschlusskreisen hängt eine Energieübertragungsmöglichkeit von einer jeweiligen Topologie und dem Tastgrad D ab.
In 12 werden schematische Schaltungen 1201, 1202 mit Nebenanschlusskreis 1281, 1282 und aktiver Ladungsausgleichseinheit 1211, 1212 in einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie gezeigt. Während in Schaltung 1201 die in den Zwischenkreis integrierten Induktivitäten 151, 1051 seriell miteinander verschaltet sind, sind sie in Schaltung 1202 zu einer gemeinsamen Induktivität 1251 gekoppelt. Von der gemeinsamen Anordnung von Nebenanschlusskreis 1281, 1282 und aktiver Ladungsausgleichseinheit 1211, 1212 in der jeweiligen Schaltung 1201, 1202 bleiben die voranstehend erläuterten Eigenschaften der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie unberührt.
In 13 werden schematische Schaltungen 1301, 1302 mit einer Wechselspannungslast oder -quelle 1311 am Hauptanschluss in einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie gezeigt. Der Zwischenkreiskondensator ist ein bipolarer Kondensator 1341 und die Steuerung der Batteriemodule 1391, 1392, 1393, 1394 ist dazu konfiguriert, das Gleichspannungssignal auf verschiedene Spannungsstufen, welche in einem zeitlichen Verlauf einer Wechselspannung folgen, zu schalten, wodurch am Hauptanschluss eine Wechselstromphase gebildet ist. Die Batteriemodule 1391, 1392, 1393, 1394 sind dabei vorteilhaft in der Lage, im Strang sowohl positive wie negative Spannungswerte zu erzeugen. Weiter vorteilhaft kann in der gleichen Topologie eine Mehrzahl an Strängen sowohl seriell, parallel, sternförmig, deltaförmig, oder anderen Formen folgend miteinander verschaltet werden, um eine höhere Phasenzahl zu realisieren, wobei alle voranstehend offenbarten Ausgestaltungen implementierbar sind.
In 14 wird eine schematische Schaltung 1400 mit einer jedem Batteriemodul 1391, 1392, 1393, 1394 zugeordneten Stromphase 1411, 1412, 1413, 1414 in einer noch anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Multilevelbatterie gezeigt. Der zwischengeschaltete Energiespeicher, der vorzugsweise ein bipolarer Kondensator oder eine Wechselstrombatterie mit genügend kleiner Induktivität sein kann, ist dabei durch einen jeweiligen einem jeweiligen Batteriemodul 1391, 1392, 1393, 1394 zugeordneten Tiefpassfilter 1401, 1402, 1403, 1404 ersetzt. Eine solche Schaltung 1400 hat den Vorteil, dass eine Summe aller an den Batteriemodulen 1391, 1392, 1393, 1394 auftretenden Spannungen nur einen Bruchteil einer maximal auftretenden Spannung bei dem als ein Wechselspannungssystem angesteuerten anderen Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie aus 13 ausmacht, weshalb ein Spannungsnennwert der noch anderen Ausgestaltung der modularen Multilevelbatterie viel geringer ausfallen kann als die der in 1 oder 8 offenbarten modularen Multilevelbatterie. Andererseits ist das hier dargestellte Wechselspannungssystem in der Lage, bei Anschluss an eine hohe bzw. ultra-hohe Gleichspannungsladevorrichtung viel höhere Gleichspannungen zu erzeugen, wodurch eine Geschwindigkeit eines Aufladungsvorgangs der jeweiligen Energiespeicher verbessert wird. Wiederum sind auch auf diesem Wechselspannungssystem alle voranstehend offenbarten Ausgestaltungen implementierbar.
Bezugszeichenliste

100: Schaltung modulare Multilevelbatterie
120: Gleichstromlast
121: Wechselstromlast
122: Inverter
140: Zwischengeschalteter Energiespeicher
150: Transformator
151: Induktivität im Zwischenkreis
152: Sekundärwicklung
160: Ungeregelter Gleichrichter
170: Gleichstromanschluss
180: Nebenanschlusskreis
190: Strang mit Batteriemodulen
191: Batteriemodul 1
192: Batteriemodul 2
193: Batteriemodul 3
194: Batteriemodul 4
200: Zwischenkreisspannungsverlauf
201: Zeit
202: Spannungswerte
210: Zwischenkreisspannung
211: Gleichspannungssignal
212: Hochfrequente Pulsspannung
299: Vergrößerter Ausschnitt
300: Pulssignalverläufe
301: Zeitachse
302: Spannungswerte
311: Pulsspannungssignal bei D=0.25
312: Pulsspannungssignal bei D=0.5
313: Pulsspannungssignal bei D=0.75
318: Tastgrad D
319: 1-D
321: Positive Amplitude V_P+
322: Negative Amplitude V_P-
400: Regelungsschema
410: Rückkopplungsschleife Nebenanschlusskreis
411: Messspannung V_d,2 am Gleichstromanschluss
412: Referenzspannung $V_{d c 2}^{r e f}$
für Gleichstromanschluss
413: Mittelung
414: Addierer
415: Regler
416: Tastgrad D
420: Berechnung möglicher Modulationsindexe
430: Auswahl einer nächstmöglichen Modulation
431: Zwischenkreisreferenzspannung $V_{d c 1}^{r e f}$
432: $N \bar{v_{M o d u l}}$
433: Dividierer
434: Optimaler Modulationsindex m^opt
439: Resultierende Modulationsreferenz m
500: Spannungssignale an Anschlüssen
501: Zeitachse
502: Spannungswert
510: Anwachsendes Modulationsreferenzsignal
511: Spannungssignal am Hauptanschluss
512: Spannungsignal am Nebenanschluss
513: Multiple Modulationsindizes bei gleicher Nebenanschlussspannung
600: Ladungsausgleichsverlauf
601: Zeitachse
602: Ladezustand (SoC)
611: SoC Modul a
612: SoC Modul b
613: SoC Modul c
614: SoC Modul d
700: Schema geschlossener Regelkreis
701: Regelungsteil mit inhärentem Ladungsausgleich
702: Regelungsteil für optimalen Modulationsindex
703: Optionaler Ladungsausgleichseinheit
739: Globale Modulationsreferenz m
740: Addierer
741: Ladezustand SoC_i des i-ten Moduls
742: Mittlerer Ladezustand SoC_avg
743: Differenz
744: k_balance
749: Modulationsindex für i-tes Modul
800: Schaltschema mit integriertem Nebenanschluss
810: Gleichspannungsquelle
830: Wechselstromquelle/Ladeeinheit
900: Schaltungsschema für Nebenanschluss
951: Induktivität im Zwischenkreis
952: Induktivität im Zwischenkreis
953: Induktivität im Zwischenkreis
954: Induktivität im Zwischenkreis
955: Induktivität im Zwischenkreis
981: Voll-Brücke mit Dioden und zwei gekoppelten Spulen
982: Zwei Dioden mit drei gekoppelten Spulen
983: Einzeldiode mit zwei gekoppelten Spulen
984: Voll-Brücke mit Dioden
985: Einzeldiode
1000: Schaltschema mit integriertem aktiven Ladungsausgleich
1010: Integrierte aktive Ladungsausgleichseinheit
1051: Induktivität im Zwischenkreis
1100: Schaltungsschema für Nebenanschluss
1111: Voll-Brücke mit Dioden und zwei gekoppelten Spulen
1112: Zwei Dioden mit drei gekoppelten Spulen
1113: Einzeldiode mit zwei gekoppelten Spulen
1114: Einzeldiode mit zwei Ladungsausgleichsanschlüssen
1201: Schaltung mit Nebenanschlusskreis und Ladungsausgleichseinheit
1202: Schaltung mit gekoppelter Induktivität
1211: Integrierte aktive Ladungsausgleichseinheit
1212: Integrierte aktive Ladungsausgleichseinheit
1251: Gekoppelte Induktivität
1281: Nebenanschlusskreis
1282: Nebenanschlusskreis
1301: Schaltung mit Wechselspannungsansteuerung
1302: Schaltung mit Wechselspannungsansteuerung
1311: Wechselspannungslast/-quelle
1341: Bipolarer Kondensator
1391: Batteriemodul 1
1392: Batteriemodul 2
1393: Batteriemodul 3
1394: Batteriemodul4
1400: Multiphasen-Batterie mit integriertem Nebenanschluss
1401: Tiefpassfilter 1
1402: Tiefpassfilter 2
1403: Tiefpassfilter 3
1404: Tiefpassfilter 4
1411: Stromphase 1
1412: Stromphase 2
1413: Stromphase 3
1414: Stromphase 4

Claims

Verfahren zur Steuerung einer modularen Multilevelbatterie mit integriertem Nebenanschluss, wobei die modulare Multilevelbatterie mindestens einen Strang mit einer Zahl N an wiederaufladbaren Batteriemodulen (191, 192, 193, 194) und einen Zwischenspannungskreis aufweist, wobei ein jeweiliges Batteriemodul (191, 192, 193, 194) mindestens einen Energiespeicher und mehrere steuerbare Halbleiterschalter, durch die der mindestens eine Energiespeicher einem Stromverlauf im Strang hinzuschaltbar ist, aufweist, wobei der Zwischenspannungskreis durch den mindestens einen Strang, einen zwischengeschalteten Energiespeicher (140), an dessen beiden Anschlüssen ein Hauptanschluss angeordnet wird, und mindestens einen Nebenanschluss gebildet wird, wobei der mindestens eine Nebenanschluss durch eine Induktivität (151, 951, 952, 953, 954, 955, 1051, 1251), welche mit einem Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) verbunden ist, gebildet wird, wobei durch Steuerung der Batteriemodule (191, 192, 193, 194) des mindestens einen Strangs ein Gleichspannungssignal $V_{d c} = m N \bar{v_{M o d u l}}$
(211) mit einer überlagerten hochfrequenten Pulsspannung (212, 311, 312, 313), welche einen Tastgrad D = mN - [mN] (318) aufweist, gebildet wird, wobei m ein Modulationsindex (439, 739, 749) und $\bar{v_{M o d u l}}$
eine gemittelte Modulspannung ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) des mindestens einen Nebenanschlusses und der Zwischenspannungskreis mittels eines Transformators (150) galvanisch getrennt werden und wobei die Induktivität (151, 951, 952, 953, 954, 955, 1051, 1251) des mindestens einen Nebenanschlusses durch eine Primärwicklung des Transformators (150) gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) eine Gleichrichterstufe aufweist, wobei in einem Betrieb der modularen Multilevelbatterie der Tastgrad (318) auf einen Wert kleiner oder gleich als ein halb eingestellt wird, was einen Energieübertrag aus dem Zwischenspannungskreis in den Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) während einer positiven Amplitude (321) des Pulsspannungssignals zur Folge hat, wodurch Batteriemodule (191, 192, 193, 194) mit einem höheren Ladezustand (611, 612, 613, 614) gegenüber Batteriemodulen (191, 192, 193, 194) mit einem niedrigeren Ladezustand (611, 612, 613, 614) in dem mindestens einen Strang stärker entladen werden und sich die Ladezustände (611, 612, 613, 614) aller Batteriemodule (191, 192, 193, 194) ausgleichen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei einer Steuerung in einer Rückkopplungsschleife (410) zum Nebenanschlusskreis (180) als Eingangsgrößen für einen Gleichstromanschluss (170) eine gemessene Spannung (411) und eine Referenzspannung (412) zugeführt werden, wobei die gemessene Spannung (411) gemittelt (413) von der Referenzspannung (412) abgezogen (414) wird und einem Regler (415) zugeführt wird, wobei durch den Regler (415) der Tastgrad (416) bereitgestellt wird und woraus weitere Modulationsindexe errechnet (420) werden, wobei aus Division (433) einer Zwischenkreisreferenzspannung (431) und einer gemittelten von allen Batteriemodulen pro Periode erzeugten Gleichspannung (432) ein optimaler Modulationsindex (434) ermittelt wird, wobei aus den weiteren Modulationsindexen und dem optimalen Modulationsindex (434) eine in Bezug auf Topologie und Betriebsmodus nächstmögliche Modulation ausgewählt (430) wird, damit ein Modulationsreferenzindex (439, 739) bereitgestellt wird, und wobei, gleichzeitig zu einer Steuerung des Zwischenkreises, des mindestens einen Nebenanschlusskreises, und des Ladezustandsausgleichs aller Batteriemodule, der Modulationsindex (749) jedes Batteriemoduls (191, 192, 193, 194) entsprechend seinem jeweiligen Ladezustand (741) in einem geschlossenen Regelkreis (700) angepasst wird, indem durch eine Ladungsausgleichseinheit (703) aus einem Ladezustand (741) eines jeweiligen Batteriemoduls und einem gemittelten Ladezustand (742) eine jeweilige Differenz (743) gebildet wird und daraus jeweilige Ladungsausgleichswerte (744) ermittelt werden, welche zu dem aus dem Regelkreis (701) erhaltenen für alle Batteriemodule gleichen Modulationsreferenzsignal (739) addiert (740) werden, wodurch ein dem jeweilige Batteriemodul zugewiesener Modulationsindex (749) gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Nebenanschlusskreis (1010, 1111, 1112, 1113, 1114) des mindestens einen Nebenanschlusses einen Mehrfachwicklungstransformator mit N Sekundärwicklungen und als Primärwicklung die Induktivität (151, 951, 952, 953, 954, 955, 1051, 1251) des mindestens einen Nebenanschlusses aufweist, wobei eine jeweilige Sekundärwicklung (152) über eine Gleichrichtung mit dem mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Batteriemoduls (191, 192, 193, 194) verbunden wird, wodurch ein integrierter aktiver Ladungsausgleich realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei an einem ersten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ein Nebenanschlusskreis (1010, 1111, 1112, 1113, 1114) für den integrierten aktiven Ladungsausgleich realisiert wird, und wobei an einem zweiten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ein Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) für eine Gleichstromversorgung bereitgestellt wird, wobei die jeweiligen Induktivitäten (151, 1051) der beiden Nebenanschlüsse im Zwischenspannungskreis seriell miteinander verbunden werden oder die jeweiligen Nebenanschlusskreise (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1010, 1111, 1112, 1113, 1114, 1281, 1282) mit einer beiden Nebenanschlüssen gemeinsamen Induktivität (1251) gekoppelt werden.
Modulare Multilevelbatterie mit integriertem Nebenanschluss, wobei die modulare Multilevelbatterie eine Steuerungseinheit, mindestens einen Strang mit einer Zahl N an wiederaufladbaren Batteriemodulen (191, 192, 193, 194), einen Hauptanschluss und einen Zwischenspannungskreis mit mindestens einem Nebenanschluss umfasst, wobei ein jeweiliges Batteriemodul (191, 192, 193, 194) mindestens einen Energiespeicher und mehrere steuerbare Halbleiterschalter, durch die der mindestens eine Energiespeicher einem Stromverlauf im Strang hinzuschaltbar ist, aufweist, wobei der Zwischenspannungskreis durch den mindestens einen Strang, einen zwischengeschalteten Energiespeicher (140), an dessen beiden Anschlüssen der Hauptanschluss angeordnet ist, und mindestens einen Nebenanschluss gebildet ist, wobei der mindestens eine Nebenanschluss durch eine Induktivität (151, 951, 952, 953, 954, 955, 1051, 1251), welche mit einem Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) verbunden ist, gebildet ist, wobei die Steuerungseinheit der Batteriemodule (191, 192, 193, 194) des mindestens einen Strangs dazu konfiguriert ist, im Zwischenspannungskreis mittels Pulsdauermodulation mit phasenverschobenen Trägersignalen ein Gleichspannungssignal $V_{d c} = m N \bar{v_{M o d u l}}$

mit einer überlagerten hochfrequenten Pulsspannung (212, 311, 312, 313), welche einen Tastgrad D = mN - [mN] (318) aufweist, zu erzeugen, wobei m ein Modulationsindex (439, 739, 749) und $\bar{v_{M o d u l}}$
eine gemittelte Modulspannung ist.
Modulare Multilevelbatterie nach Anspruch 7, wobei der Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) des mindestens einen Nebenanschlusses und der Zwischenspannungskreis mittels eines Transformators (150) galvanisch getrennt sind und wobei die Induktivität (151, 951, 952, 953, 954, 955, 1051, 1251) des mindestens einen Nebenanschlusses durch eine Primärwicklung des Transformators (150) gebildet ist.
Modulare Multilevelbatterie nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) eine Gleichrichterstufe aufweist, wobei die Steuerungseinheit dazu konfiguriert ist, den Tastgrad (318) auf einen Wert kleiner oder gleich als ein halb einzustellen, wodurch ein Energieübertrag aus dem Zwischenspannungskreis in den Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) während einer positiven Amplitude (321) des Pulsspannungssignals erfolgt, wodurch Batteriemodule (191, 192, 193, 194) mit einem höheren Ladezustand (611, 612, 613, 614) gegenüber Batteriemodulen (191, 192, 193, 194) mit einem niedrigeren Ladezustand (611, 612, 613, 614) in dem mindestens einen Strang stärker entladen werden und sich die Ladezustände (611, 612, 613, 614) aller Batteriemodule (191, 192, 193, 194) ausgleichen.
Modulare Multilevelbatterie nach Anspruch 9, wobei die Steuerungseinheit dazu ausgestaltet ist, ein Steuerungsschema (400) auszuführen, wobei in dem Steuerungsschema (400) von einer Rückkopplungsschleife (410) zum Nebenanschlusskreis (180) als Eingangsgrößen für einen Gleichstromanschluss (170) eine gemessene Spannung (411) und eine Referenzspannung (412) aufgewiesen werden, wobei die gemessene Spannung (411) gemittelt (413) von der Referenzspannung (412) abgezogen (414) wird und einem Regler (415) zugeführt wird, wobei durch den Regler (415) der Tastgrad (416) bereitgestellt wird und woraus weitere Modulationsindexe errechnet (420) werden, wobei aus Division (433) einer Zwischenkreisreferenzspannung (431) und einer gemittelten von allen Batteriemodulen pro Periode erzeugten Gleichspannung (432) ein optimaler Modulationsindex (434) ermittelt wird, wobei aus den weiteren Modulationsindexen und dem optimalen Modulationsindex (434) eine in Bezug auf Topologie und Betriebsmodus nächstmögliche Modulation ausgewählt (430) wird, damit ein Modulationsreferenzindex (439, 739) bereitgestellt wird, und, neben einer gleichzeitigen Steuerung des Zwischenkreises, des mindestens einen Nebenanschlusskreises, und des Ladezustandsausgleichs aller Batteriemodule, den Modulationsindex (749) jedes Batteriemoduls (191, 192, 193, 194) entsprechend seinem jeweiligen Ladezustand (741) in einem geschlossenen Regelkreis (700) anzupassen, indem durch eine Ladungsausgleichseinheit (703) aus einem Ladezustand (741) eines jeweiligen Batteriemoduls und einem gemittelten Ladezustand (742) eine jeweilige Differenz (743) gebildet wird und daraus jeweilige Ladungsausgleichswerte (744) ermittelt werden, welche zu dem aus dem Regelkreis (701) erhaltenen für alle Batteriemodule gleichen Modulationsreferenzsignal (739) addiert (740) werden, wodurch ein dem jeweilige Batteriemodul zugewiesener Modulationsindex (749) gebildet wird.
Modulare Multilevelbatterie nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Nebenanschlusskreis (1010, 1111, 1112, 1113, 1114) des mindestens einen Nebenanschlusses einen Mehrfachwicklungstransformator mit N Sekundärwicklungen und als Primärwicklung die Induktivität (151, 951, 952, 953, 954, 955, 1051, 1251) des mindestens einen Nebenanschlusses aufweist, wobei eine jeweilige Sekundärwicklung (152) über eine Gleichrichtung mit dem mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Batteriemoduls (191, 192, 193, 194) verbunden ist, wodurch ein integrierter aktiver Ladungsausgleich realisiert ist.
Modulare Multilevelbatterie nach Anspruch 11, wobei an einem ersten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ein Nebenanschlusskreis (1010, 1111, 1112, 1113, 1114) für den integrierten aktiven Ladungsausgleich realisiert ist, und wobei an einem zweiten Nebenanschluss des mindestens einen Nebenanschlusses ein Nebenanschlusskreis (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1281, 1282) für eine Gleichstromversorgung bereitgestellt ist, wobei die jeweiligen Induktivitäten (151, 1051) der beiden Nebenanschlüsse im Zwischenspannungskreis seriell miteinander verbunden sind oder die jeweiligen Nebenanschlusskreise (180, 981, 982, 983, 984, 985, 1010, 1111, 1112, 1113, 1114, 1281, 1282) mit einer beiden Nebenanschlüssen gemeinsamen Induktivität (1251) gekoppelt sind.
Modulare Multilevelbatterie nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Hauptanschluss mit einer Wechselstromlast oder einer Wechselstromquelle (1311) verbunden ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (1341) ein bipolarer Kondensator ist, und wobei die Steuerungseinheit dazu konfiguriert ist, das Gleichspannungssignal auf verschiedene Spannungsstufen, welche in einem zeitlichen Verlauf einer niederfrequenten Wechselspannung folgen, zu schalten, wodurch am Hauptanschluss eine niederfrequente Phase gebildet ist.
Modulare Multilevelbatterie nach Anspruch 13, wobei durch jedes Batteriemodul (1391, 1392, 1393, 1394) eine jeweilige Phase gebildet ist, welche über einen jeweiligen Tiefpassfilter (1401, 1402, 1403, 1404) mit einer jeweiligen Wechselstromlast oder einer jeweiligen Wechselstromquelle (1411, 1412, 1413, 1414) verbunden ist.