NL2010894A - Energieopslaginrichting, systeem met een energieopslaginrichting en werkwijze voor het ter beschikking stellen van een voedingsspanning. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Energieopslaginrichting, systeem met een energieopslaginrichting en werkwijze voor het ter beschikking stellen van een voedingsspanning

De uitvinding heeft betrekking op een energieopslaginrichting, een systeem met een energieopslaginrichting en werkwijze voor het ter beschikking stellen van een voedingsspanning, in het bijzonder in directe batterij-omzetschakelingen en batterijconverterschakelingen voor spanningsvoeding van elektrische machines, bijvoorbeeld elektrische aandrijfsystemen van elektrisch aangedreven voertuigen.

Stand van de techniek

Het tekent zich af dat in de toekomst zowel bij stationaire toepassingen, zoals bijvoorbeeld windenergie-installaties of zonnekrachtinstallaties, als ook in voertuigen, zoals hybride- of elektrovoertuigen, telkens meer elektronische systemen hun toepassing vinden die nieuwe energieopslagtechnologieën met elektrische aandrijftechniek combineren.

Voor het toevoeren van draaistroom in een elektrische machine wordt op gebruikelijke wijze via een omvormer in de vorm van een pulswisselrichter een door een gelijkspanningstussencircuit ter beschikking gestelde gelijkspanning in een driefasige wisselspanning omgevormd. Het gelijkspanningstussencircuit wordt door een leiding uit in serie geschakelde batterijmodules gevoed. Om aan de voor een betreffende toepassing gegeven eisen aan vermogen en energie te kunnen voldoen, worden vaak meerdere batterijmodules in een tractiebatterij in serie geschakeld. Een zodanig energieopslagsysteem vindt bijvoorbeeld vaak toepassing in elektrisch aangedreven voertuigen.

De serieschakeling van meerdere batterijmodules brengt het probleem met zich mee dat de totale leiding uitvalt wanneer een enkele batterijmodule uitvalt. Een dergelijke uitval van de energievoedingsleiding kan tot een uitval van het totale system leiden. Verder kunnen tijdelijk of permanent optredende vermogensverminderingen van een enkele batterijmodule tot vermogensverminderingen in de totale energievoedingsleiding leiden.

De publicatie US 5.422.558 A openbaart een modulair managementsysteem voor batterijcellen, waarbij meerdere batterijcellen selectief voor de energievoorziening van een belasting parallel geschakeld kunnen worden.

De publicatie US 2010/0213897 Al openbaart een managementsysteem voor modulair geschakelde batterijcellen, dat afzonderlijke batterijcellen via synchrone omvormers selectief parallel met een gelijkspanningstussencircuit koppelt.

In de publicatie US 5.642.275 Al is een batterij systeem met geïntegreerde omvormrichtfunctie beschreven. Systemen van deze soort zijn onder de naam Multilevel Cascaded Inverter of ook wel Battery Direct Inverter (directe batterij omvormers, BDI) bekend. Dergelijke systemen omvatten gelijkstroombronnen in meerdere energieopslagmoduleleidingen, die direct op een elektrische machine of een elektrisch net aansluitbaar zijn. Daarbij kunnen eenfasige of meerfasige voedingsspanningen opgewekt worden. De energieopslagmoduleleidingen vertonen daarbij een veelvoud aan van in serie geschakelde energieopslagmodules, waarbij elke energieopslagmodule ten minste één batterijcel en een toegewezen stuurbare koppeleenheid bevat, die het toestaat in afhankelijkheid van de besturingssignalen de betreffende energieopslagmoduleleiding te onderbreken of de telkens toegewezen ten minste ene batterijcel te overbruggen of de betreffende toegewezen ten minste ene batterijcel in de betreffende energieopslagmoduleleiding te schakelen. Door geschikte aansturing van de koppeleenheden, bijvoorbeeld met behulp van pulsbreedtemodulatie, kunnen ook geschikte fasesignalen voor de aansturing van de fase-uitgangsspanning ter beschikking gesteld worden, zodat een afzonderlijke pulswisselrichter achterwege gelaten kan worden.

De voor de sturing van de fase-uitgangsspanning noodzakelijke pulswisselrichter is daardoor in de batterij geïntegreerd.

Als alternatieven openbaren de publicaties DE 10 2010 027 857 Al en DE 10 2010 027 861 Al modulair geschakelde batterij cellen in energieopslaginrichtingen, die via een geschikte aansturing van koppeleenheden selectief in de leiding van serieel geschakelde batterijcellen aan- of afgekoppeld kunnen worden. Systemen van deze soort zijn onder de namen Battery Direct Converter (direct batterij omvormers, BDC) bekend. Dergelijke systemen omvatten gelijkstroombronnen in een energieopslagmoduleleiding, die op een gelijkspanningstussencircuit voor de elektrische energievoorziening van een elektrische machine of een elektrisch net via een pulswisselrichter aansluitbaar zijn.

BDCs en BDIs vertonen op gebruikelijke wijze een hogere werkingsgraad en een hogere uitvalzekerheid ten opzichte van gebruikelijke systemen. De uitvalzekerheid wordt onder andere daardoor gegarandeerd dat defecte, uitgevallen of batterijcellen zonder volledig vermogen door geschikte overbruggingsaansturing van de koppeleenheden uit de energievoedingsleidingen geschakeld kunnen worden.

De energieopslagmoduleleidingen vertonen daarbij een veelvoud aan van in serie geschakelde energieopslagmodules, waarbij elke energieopslagmodule ten minste één batterijcel en een toegewezen stuurbare koppeleenheid bevat, die het in afhankelijkheid van de stuursignalen toestaat de telkens toegewezen ten minste ene batterijcel te overbruggen of de telkens toegewezen ten minste ene batterijcel in de betreffende energieopslagmoduleleiding te schakelen. Optioneel kan de koppeleenheid zodanig geschakeld zijn, dat deze het aanvullend toelaat de telkens toegewezen ten minste ene batterijcel ook met inverse polariteit in de betreffende energieopslagmoduleleiding te schakelen of ook de betreffende energieopslagmoduleleiding te onderbreken.

De totale uitgangsspanning van BDCs en BDIs wordt door de aansturingstoestand van de koppeleenheden bepaald en kan trapvormig ingesteld worden, waarbij de trapvormige indeling van de totale uitgangsspanning door de afzonderlijke spanningen van de energieopslagmodules afhankelijk is. Daarentegen zijn de uitgangsstromen door het aantal en het type van de batterijcellen in de energieopslagmoduleleidingen beperkt. Voor toepassingen met verhoogde vermogensbehoefte is het wenselijk het vermogen van BDCs en BDIs te verbeteren. Er bestaat dientengevolge een behoefte aan energieopslaginrichtingen die een verbeterd maximaal mogelijk uitgangsvermogen vertonen, geringe eisen aan de configuratie van de overige systeemcomponenten stellen en een verbeterde beschikbaarheid van systemen bieden.

Openbaring van de uitvinding

De onderhavige uitvinding verschaft volgens een uitvoeringsvorm een energieopslaginrichting voor het opwekken van een voedingsspanning voor een elektrische machine, met een eerste energievoedingsleiding, die via een eerste opslaginductiviteit met een eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting gekoppeld is; en een tweede energievoedingsleiding, die via een tweede opslaginductiviteit met de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting gekoppeld is, en die parallel aan de eerste energievoedingsleiding geschakeld is. Daarbij omvat elk van de energievoedingsleidingen één of meerdere energieopslagmodules, die telkens voorzien zijn van een energieopslagcellenmodule met ten minste één energieopslagcel en een koppelinrichting met een veelvoud aan koppelelementen, die ingericht is om de energieopslagcellenmodule selectief in de betreffende energievoedingsleiding te schakelen of te overbruggen. De eerste en tweede energievoedingsleidingen zijn ingericht om een voedingsspanning op de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting beschikbaar te stellen.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm verschaft de onderhavige uitvinding een systeem met een energieopslaginrichting volgens de uitvinding en een besturingsinrichting, die met de energieopslaginrichting gekoppeld is, en die ingericht is om de koppelinrichtingen van de energieopslagmodules voor het instellen van een voedingsspanning op de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting aan te sturen.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het ter beschikking stellen van een voedingsspanning in een energieopslaginrichting volgens de uitvinding met de stappen van het aansturen van de koppelinrichtingen van een eerste aantal van energieopslagmodules van de eerste energievoedingsleiding voor het schakelen van de betreffende energieopslagcellenmodule in de eerste energievoedingsleiding; van het aansturen van de koppelinrichtingen van een tweede aantal van energieopslagmodules van de tweede energievoedingsleiding voor het schakelen van de betreffende energieopslagcellenmodule in de tweede energievoedingsleiding; en van het ter beschikking stellen van een uitgangsspanning aan de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting door de aangestuurde energieopslagcellenmodules in de eerste en tweede energievoedingsleidingen.

Voordelen van de uitvinding

Een idee van de onderhavige uitvinding is het een energieopslaginrichting met modulair opgebouwde energievoedingsleidingen uit een serieschakeling van energieopslagmodules uit te voeren, waarbij telkens meerdere van de energievoedingsleidingen parallel aan een energievoedingsleidingsamenstel geschakeld worden. De energievoedingsleidingen van een energievoedingsleidingsamenstel kunnen daarbij ter controle van de tussen de energievoedingsleidingen stromende compensatiestromen via koppelinductiviteiten verbonden worden. De energieopslaginrichting kan daarbij één of meerdere van deze energievoedingsleidingsamenstellen voor het ter beschikking stellen van een één- of meerfasige totale uitgangsspanning omvatten.

Door de parallelschakeling van de energievoedingsleidingen tot een energievoedingsleidingsamenstel kan de energie-inhoud van het energievoedingsleidingsamenstel op voordelige wijze verhoogd worden zonder dat de over de betreffende energievoedingsleiding afnemende totaalspanningen verhoogd moeten worden.

Op voordelige wijze kunnen verhezen in de energieopslagcellen van de energieopslagmodule daardoor gereduceerd worden dat de inwendige weerstanden via de energievoedingsleidingen in het energievoedingsleidingsamenstel parallel geschakeld worden. Dit maakt het ter beschikking stellen van hogere uitgangsstromen mogelijk zonder daarmee verbonden verliezen in de energieopslagcellen. Daardoor is de energieopslaginrichting in het bijzonder bij een toepassing in systemen waarin hoge stroomsterkten nodig zijn gunstig, bijvoorbeeld in elektrische aandrijfsystemen voor elektrisch aangedreven voertuigen, waarbij voor optrek- of versnellingssituaties een hogere ingangsstroom voor de elektrische machine nodig is of bij machines met hoge belasting zoals bijvoorbeeld aandrijfeenheden voor schepen. Het kan daarbij ook mogelijk zijn de energieopslaginrichting in stationaire systemen toe te passen, bijvoorbeeld in energiecentrales, in elektrische energiewinninginstallaties, zoals bijvoorbeeld windkrachtinstallaties, fotovoltaïsche installaties of krachtwarmtekoppelingsinstallaties, in energieopslaginstallaties zoals bijvoorbeeld perslucht-opslagkrachtcentrales, batterij-opslagkrachtcentrales, vliegwielopslagen, pompopslagen of vergelijkbare systemen.

Bovendien kan door de parallelle schakeling van de energieopslagleidingen worden bereikt dat deelleidingen, die de gevraagde spanning bijvoorbeeld vanwege hun veroudering of door defecten niet meer ter beschikking kunnen stellen, tijdelijk of permanent uitgeschakeld kunnen worden, zonder het wezenlijke functioneringsvermogen van het totale systeem nadelig te beïnvloeden. Verder kan door gerichte be- en ontlasting van afzonderlijke leidingen een geoptimaliseerde verouderingsstrategie over de energievoedingsleidingen heen omgezet worden. Het parallel maken vergemakkelijkt bovendien de uitwisseling van te vervangen cellen, modules of deelleidingen, wat door de mogelijkheid van het wegschakelen van de betroffen deelleiding ook in actief bedrijf van de totale energievoedingseenheid mogelijk is. Deze onafhankelijkheid van de deelleidingen maakt ook een gemengd bedrijf mogelijk, waarbij tegelijkertijd bepaalde leidingen energie aan de verbruiker leveren en andere opnieuw via een laadeenheid opnieuw opgeladen worden.

Door de parallelle schakeling van de energievoedingsleidingen kunnen compensatiestromen, die tussen de parallel geschakelde energievoedingsleidingen stromen, geregeld en voor ladingscompensatie gebruikt worden. De afzonderlijke energievoedingsleidingen kunnen ook via regeling van de afzonderlijke bijdragen aan het totale uitgangsvermogen aangestuurd worden. Het recuperatievermogen kan over de afzonderlijke energievoedingsleidingen in het generatorische bedrijf van de machine verdeeld worden.

In een systeem met een gelijkspanningstussencircuit kan vanwege de aan de parallel geschakelde energievoedingsleidingen telkens toegewezen opslaginductiviteiten van een aanvullende, de somstroom van de parallel geschakelde energievoedingsleidingen leidende opslagsmoorspoel voor het gelijkspanningstussencircuit afgezien worden. Dit leidt ook daartoe dat een potentiële variatieneiging bij het samenspel van een dergelijke smoorspoel met een condensator van het gelijkspanningstussencircuit wegvalt.

Daardoor dat de veranderingen van de stroom in de energieopslagcellen vanwege de tussenopslag van de energie in de tot de leiding behorende opslaginductiviteiten op een geringe waarde begrensd zijn, zijn de wisselstroomverliezen in de afzonderlijke energieopslagmodules van de parallel geschakelde energievoedingsleidingen eveneens begrensd. Daardoor volgen enerzijds een verhoogde levensduur van de energieopslagcellen en anderzijds een verbeterde elektromagnetische ver draagbaarheid.

Tot slot maakt de modulaire opbouw van de energieopslagmodules een fijne trapvormige indeling van de totale uitgangsstroom mogelijk, bijvoorbeeld door de in fase verschoven aansturing van de betreffende koppeleenheden voor de afzonderlijke energieopslagcellen. Daardoor neemt op voordelige wijze de belasting door stroomvariaties op de condensator van het tussencircuit af, wat op zijn beurt resulteert in verminderde spanningsvariaties. Dit maakt de toepassing van condensatoren van tussencircuits mogelijk met een geringe spanningsvastheid.

Met een modulair opgebouwde energieopslaginrichting volgens de uitvinding kan de spanning van het gelijksspanningstussencircuit gestabiliseerd of variabel aan het werkpunt van het systeem aangepast worden. Door de stabilisering is een effectievere en gunstigere configuratie van alle componenten van het totale systeem mogelijk. De elektrische machine, de inverter en mogelijke aanvullende componenten zoals bijvoorbeeld een gelijkspanningsomvormer van het boordnet kunnen met hogere werkingsgraad geconfigureerd worden. De elektrische machine heeft daardoor minder bouwruimte nodig en de inverter vertoont een kleiner verliesvermogen. De batterijcellen kunnen flexibeler gekozen worden, daar de capaciteit en de nominale spanning van de cellen beter op elkaar af gestemd kunnen worden.

Een variabel op het werkpunt van een systeem dat de energieopslaginrichting volgens de uitvinding gebruikt aangepaste tussencircuitspanning maakt het mogelijk de verliezen in de inverter te reduceren, wanneer in het werkpunt slechts een geringe spanning noodzakelijk is. Daardoor kunnen gunstige componenten met geringe vermogens- en/of koelvereisten toegepast worden.

Volgens een uitvoeringsvorm van de energieopslaginrichting volgens de uitvinding kan de energieopslaginrichting verder een schakelinrichting omvatten, die de eerste en tweede opslaginductiviteiten schakelbaar met de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting koppelt. Daardoor kan een in fase verschoven aansturing van de energievoedingsleidingen gerealiseerd worden, wat op voordelige wijze de stroomvariaties op een aangesloten gelijkspanningstussencircuit en aldus die resulterende spanningsvariaties kan minimaliseren.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm van de inventieve energieopslaginrichting kan de schakelinrichting voorzien zijn van een eerste verbindingsschakelaar, die tussen de eerste opslaginductiviteit en de eerste uitgangsaansluiting gekoppeld is; een eerste terugstroomschakelaar, die een knooppunt tussen de eerste verbindingsschakelaar en de eerste opslaginductiviteit met een tweede uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting koppelt; een tweede verbindingsschakelaar, die tussen de tweede opslaginductiviteit en de eerste uitgangsaansluiting gekoppeld is; en een tweede terugstroomschakelaar, die een knooppunt tussen de tweede verbindingsschakelaar en de tweede opslaginductiviteit met een tweede uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting koppelt. Daarbij kunnen de opslaginductiviteiten gemeenschappelijk met de betreffende terugstroomschakelaars en verbindingsschakelaars telkens een hoge instelling van de stelaandrijvingsfunctie voor de uitgangsspanning van de betreffende energievoedingsleiding realiseren. Dit biedt het voordeel dat de energievoedingsleidingen als variabele stroombronnen bedreven kunnen worden, die een hogere spanning ter beschikking kunnen stellen dan de nominale som van de afzonderlijke spanningen van hun energieopslagmodules.

Volgens een verdere uitvoeringsvorm van de inventieve energieopslaginrichting kan de energieopslaginrichting verder een veelvoud aan parallel geschakelde eerste en tweede energievoedingsleidingen omvatten, die telkens via eerste en tweede opslaginductiviteiten met een veelvoud aan eerste uitgangsaansluitingen gekoppeld zijn, waarbij de eerste en tweede energievoedingsleidingen telkens ingericht zijn om een fasespanning op de betreffende van het veelvoud van de eerste uitgangsaansluitingen van de energieopslaginrichting beschikbaar te stellen. Hierdoor laat zich op voordelige wijze een functionaliteit voor directe batterij omvorming voor de directe spanningsvoorziening van meerfasige elektrische machines implementeren.

Volgens een uitvoeringsvorm van een systeem volgens de uitvinding kan het systeem verder een inverter, die met het gehjkspanningstussencircuit gekoppeld is en een elektrische machine, die met de inverter gekoppeld is, omvatten. Daarbij kan de inverter ingericht zijn om de spanning van het gehjksspanningstussencircuit in een ingangsspanning voor de elektrische machine om te vormen.

Verdere kenmerken en voordelen van uitvoeringsvormen van de uitvinding zullen blijken uit de hierna gegeven beschrijving onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen.

Korte beschrijving van de tekeningen

Getoond wordt in:

Fig. 1 een schematische weergave van een systeem met een energieopslaginrichting volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 2 een schematische weergave van een uitvoeringsvoorbeeld van een energieopslagmodule van een energieopslaginrichting volgens een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 3 een schematische weergave van een verder uitvoeringsvoorbeeld van een energieopslagmodule van een energieopslaginrichting volgens een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 4 een schematische weergave van een systeem met een energieopslaginrichting volgens een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 5 een schematische weergave van een systeem met een energieopslaginrichting volgens een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding; en

Fig. 6 een schematische weergave van een werkwijze voor het ter beschikking stellen van een voedingsspanning met een energieopslaginrichting volgens een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

Fig. 1 toont een systeem 100 dat een energieopslaginrichting 1 voor het ter beschikking stellen van een voedingsspanning door parallel schakelbare energievoedingsleidingen 10a, 10b tussen twee uitgangsaansluitingen van de energieopslaginrichting 1 omvat. De energievoedingsleidingen 10a, 10b hebben telkens leidingaansluitingen la, lb. De energieopslaginrichting 1 omvat ten minste twee parallel geschakelde energievoedingsleidingen 10a, 10b. Bijvoorbeeld bedraagt het aantal energievoedingsleidingen 10a, 10b in Fig. 1 twee, waarbij echter elk andere groter aantal van energievoedingsleidingen 10a, 10b eveneens mogelijk is. Daar de energievoedingsleidingen 10a, 10b via de leidingaansluitingen la, lb van de energievoedingsleidingen 10a, 10b parallel geschakeld kunnen worden, werken de energievoedingsleidingen 10a, 10b als stroombronnen met variabele uitgangsstroom. De uitgangsstromen van de energievoedingsleidingen 10a, 10b sommeren zich daarbij bij de uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting 1 tot een totale uitgangsstroom.

De energievoedingsleidingen 10a, 10b zijn daarbij telkens via opslaginductiviteiten 2a, 2b met de uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting 1 gekoppeld. De opslaginductiviteiten 2a, 2b kunnen bijvoorbeeld geconcentreerde of verdeelde componenten zijn. Alternatief kunnen ook parasitaire inductiviteiten van de energievoedingsleidingen 10a, 10b als opslaginductiviteiten 2a, 2b toegepast worden. Door overeenkomstige aansturing van de energievoedingsleidingen 10a, 10b kan de stroom in het gelijkspanningstussencircuit 9 gestuurd worden. Is de gemiddelde spanning van de opslaginductiviteiten 2a, 2b hoger dan de momentane spanning van het tussencircuit dan volgt een stroom in het gelijkspanningstussencircuit 9, is de gemiddelde spanning voor de opslaginductiviteiten 2 a, 2b daarentegen lager dan de momentane spanning van het tussencircuit, dan volgt een stroom in de energievoedingsleidingen 10a resp. 10b. De maximale stroom wordt daarbij door de opslaginductiviteiten 2a, 2b in samenspel met het gelijkspanningstussencircuit 9 begrensd.

Op deze manier werkt elke energievoedingsleiding 10 a respectievelijk 10b via de opslaginductiviteiten 2a, 2b als variabele stroombron, die zowel voor een parallelle schakeling als ook voor het realiseren van stroomtussencircuits geschikt is.

Elk van de energievoedingsleidingen 10a, 10b heeft ten minste twee in serie geschakelde energieopslagmodules 3. Bijvoorbeeld bedraagt het aantal energieopslagmodules 3 per energievoedingsleiding in Fig. 1 twee, waarbij echter elk ander aantal van energieopslagmodules 3 eveneens mogelijk is. Bij voorkeur omvat daarbij elk van de energievoedingsleidingen 10a, 10b hetzelfde aantal energieopslagmodules 3, waarbij het echter ook mogelijk is voor elk van de energievoedingsleidingen 10a, 10b een ander aantal energieopslagmodules 3 te voorzien. De energieopslagmodules 3 omvatten telkens twee uitgangsaansluitingen 3a en 3b, via welke een uitgangsspanning van de energieopslagmodule 3 ter beschikking gesteld kan worden.

Voorbeelden van opbouwvormen van de energieopslagmodules 3 zijn in de Fig. 2 en 3 in groter detail weergegeven. De energieopslagmodules 3 omvatten telkens een koppelinrichting 7 met meerdere koppelelementen 7a en 7c alsmede eventueel 7b en 7d. De energieopslagmodules 3 omvatten verder telkens een energieopslagcellenmodule 5 met één of meerdere in rij geschakelde energieopslagcellen 5a, 5k.

De energieopslagmodule 3 kan daarbij bijvoorbeeld in rij geschakelde batterijen 5a tot 5k, bijvoorbeeld Lithium-Ion batterijen of-accumulatoren bevatten. Daarbij bedraagt het aantal van energieopslagcellen 5a tot 5k in de in Fig. 2 getoonde energieopslagmodule 3 bijvoorbeeld twee, waarbij echter elk ander aantal van energieopslagcellen 5a tot 5k eveneens mogelijk is.

De energieopslagcellenmodules 5 zijn via verbindingsleidingen met ingangsaansluitingen van de bijbehorende koppelinrichting 7 verbonden. De koppelinrichting 7 is in Fig. 2 als voorbeeld als volledige brugschakeling met telkens twee koppelelementen 7a, 7c en twee koppelelementen 7b, 7d weergegeven. De koppelelementen 7a, 7b, 7c, 7d kunnen daarbij telkens een actief schakelelement, bijvoorbeeld een halfgeleiderschakelaar, en een parallel daaraan geschakelde vrijloopdiode omvatten. De halfgeleiderschakelaars kunnen bijvoorbeeld veldeffecttransistoren (FETs) omvatten. In dit geval kunnen de vrijloopdioden ook telkens in de halfgeleiderschakelaar geïntegreerd zijn.

De koppelelementen 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 kunnen zodanig aangestuurd worden, bijvoorbeeld met behulp van de besturingsinrichting 11 in Fig. 1 dat de energieopslagcellenmodule 5 selectief tussen de uitgangsaansluitingen 3a en 3b geschakeld wordt of dat de energieopslagcellenmodule 5 overbrugd wordt. Door geschikt aansturen van de koppelinrichtingen 7 kunnen dan ook afzonderlijke energieopslagcellenmodules 5 van de energieopslagmodule 3 gericht in de rijschakeling van een energievoedingsleiding 10a, 10b geïntegreerd worden.

Onder verwijzing naar Fig. 2 kan de energieopslagcellenmodule 5 bijvoorbeeld in voorwaartse richting tussen de uitgangsaansluitingen 3a en 3b geschakeld worden, doordat het actieve schakelelement van het koppelelement 7d en het actieve schakelelement van het koppelelement 7a in een gesloten toestand geplaatst worden, terwijl de beide overige actieve schakelelementen van de koppelelementen 7b en 7c in een open toestand geplaatst worden. In dit geval is tussen de uitgangsklemmen 3a en 3b van de koppelinrichting 7 de spanning Um aanwezig. Een overbruggingstoestand kan bijvoorbeeld daardoor ingesteld worden dat de beide actieve schakelelementen van de koppelelementen 7a en 7b in gesloten toestand geplaatst worden, terwijl de beide actieve schakelelementen van de koppelelementen 7c en 7d in open toestand gehouden worden. Een tweede overbruggingstoestand kan bijvoorbeeld daardoor ingesteld worden, dat de beide actieve schakelaars van de koppelelementen 7c en 7d in gesloten toestand geplaatst worden, terwijl de actieve schakelelementen van de koppelelementen 7a en 7b in open toestand gehouden worden. In beide overbruggingstoestanden is tussen de beide uitgangsklemmen 3a en 3b van de koppelinrichting 7 de spanning 0 aanwezig. Eveneens kan de energieopslagcellenmodule 5 in achterwaartse richting tussen de uitgangsaansluitingen 3a en 3b van de koppelinrichting 7 geschakeld worden, doordat de actieve schakelelementen va de koppelelementen 7b en 7c in gesloten toestand geplaatst worden, terwijl de actieve schakelelementen van de koppelelementen 7a en 7d in open toestand geplaatst worden. In dit geval is tussen de beide uitgangsklemmen 3a en 3b van de koppelinrichting 7 de spanning -Um aanwezig.

De totale uitgangsspanning van een energievoedingsleiding 10a, 10b kan daarbij telkens in trappen ingesteld worden, waarbij het aantal van de trappen in schaal is met het aantal energieopslagmodules 3. Bij een aantal van n eerste en tweede energieopslagmodules 3 kan de totale uitgangsspanning van de energievoedingsleiding 10a, 10b in 2n+l trappen tussen -n -Um, ..., 0, ..., + n -Um. ingesteld worden.

Fig. 3 toont een verdere, als voorbeeld gegeven uitvoeringsvorm van een energieopslagmodule 3. De in Fig. 3 getoonde energieopslagmodule 3 verschilt van de in Fig. 2 getoonde energieopslagmodule 3 alleen daardoor dat de koppelinrichting 9 twee in plaats van vier koppelelementen heeft, die in halve brugschakeling in plaats van volledige brugschakeling geschakeld zijn.

In de weergegeven uitvoeringsvarianten kunnen de actieve schakelelementen als vermogenshalfgeleiderschakelaar, bijvoorbeeld in de vorm van IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect transistors) of als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) uitgevoerd zijn.

Met de koppelelementen 7 a, 7b, 7c, 7d kan de uitgangsspanning van elk van de energievoedingsleidingen 10a, 10b via een geschikte aansturing in trappen van een negatieve maximumwaarde tot en met een positieve maximumwaarde gevarieerd worden. De trapsgewijze afname van het spanningsniveau volgt hierbij in afhankelijkheid van de trapvormige indeling van de afzonderlijke energieopslagcellenmodule 5. Om bijvoorbeeld een gemiddelde spanningswaarde tussen twee door de trapvormige indeling van de energieopslagcellenmodule 5 voorgegeven spanningstrappen te verkrijgen, kunnen de koppelelementen 7a, 7b, 7c, 7d van een energieopslagmodule 3 in fase aangestuurd worden, bijvoorbeeld in een pulsbreedtemodulatie (PWM), zodat de betreffende energieopslagmodule 3 in tijdsgemiddelde een modulespanning levert, die een waarde tussen nul en de door de energieopslagcellen 5a tot 5k bepaalde, maximaal mogelijke modulespanning kan hebben. De aansturing van de koppelelementen 7a, 7b, 7c, 7d kan daarbij bijvoorbeeld een besturingsinrichting, zoals de besturingsinrichting 11 in Fig. 1, uitvoeren die ingericht is om bijvoorbeeld een stroomregeling met een daaronder gelaagde spanningssturing uit te voeren, zodat een trapvormig bij- of uitschakelen van afzonderlijke energieopslagmodules 3 kan plaatsvinden.

Het systeem 100 omvat naast de energieopslaginrichting 1 met de energievoedingsleidingen 10a, 10b verder een gelijkspanningstussencircuit 9, een inverter 4 alsmede een elektrische machine 4. Bijvoorbeeld dient het systeem 100 in Fig. 1 als voeding van een driefasige elektrische machine 6. Er kan echter ook in voorzien zijn dat de energieopslaginrichting 1 voor het opwekken van elektrische stroom voor een energievoorzieningsnet gebruikt wordt. Alternatief kan de elektrische machine 6 ook een synchrone of asynchrone machine, een reluctantiemachine of een borstelloze gelijkstroommotor (BLDC, “brushless DC motor”) zijn. Het kan daarbij ook mogelijk zijn de energieopslaginrichting 1 in stationaire systemen toe te passen, bijvoorbeeld in krachtcentrales, in elektrische energiewinningsinstallaties, zoals bijvoorbeeld windkrachtinstallaties, fotovoltaïsche installaties of kracht warmtekopp elingsinstallaties, in energie-opslaginstallaties zoals bijvoorbeeld perslucht-opslagkrachtcentrales, batterij-opslagkrachtcentrales, vliegwielopslagen, pompopslagen of vergelijkbare systemen.

Het gelijkspanningstussencircuit 9 voedt in de als voorbeeld gegeven uitvoeringsvorm in Fig. 1 een pulswisselrichter 4, die uit de gelijkspanning van het gehjkspanningstussencircuit 9 een driefasige wisselspanning voor de elektrische machine ter beschikking stelt. Er kan echter ook elk ander omvormertype voor de inverter 4 gebruikt worden, afhankelijk van de noodzakelijke spanningsvoorziening voor de elektrische machine 6, bijvoorbeeld een gelijkspanningsomvormer. De inverter 4 kan bijvoorbeeld in ruimtevector gemoduleerde pulsbreedtemodulatie (SVPWM, “Space Vector Pulse Width Modulation”) bedreven worden.

Het systeem 100 kan verder een besturingsinrichting 11 omvatten, die met de energieopslaginrichting 1 verbonden is en met behulp waarvan de energieopslaginrichting 1 gestuurd kan worden om de gewenste totale uitgangsspanning van de energieopslaginrichting 1 aan de betreffende uitgangsaansluitingen voor de tussen het uitgangsaansluitingen gekoppelde gehjkspanningstussencircuit 9 ter beschikking te stehen. Bovendien kan de besturingsinrichting 11 ingericht zijn om bij een opladen van de energieopslagcehen 5 van de energieopslaginrichting 1 de betreffende koppelelementen respectievelijk actieve schakelelementen van de energieopslagmodule 3 van de energievoedingsleidingen 10a, 10b aan te sturen.

De energieopslaginrichting 1 kan bijvoorbeeld ook een schakelinrichting 8 omvatten, die tussen de opslaginductiviteiten 2a en 2b alsmede de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting 1 gekoppeld is. De schakelinrichting 8 kan ingericht zijn om de eerste en tweede opslaginductiviteiten 2a, 2b schakelbaar met de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting 1 te koppelen.

Daardoor kan de energieopslaginrichting 1 bijvoorbeeld in een aansturingsmodus zonder leemtes (CCM, “continuous current mode”) bedreven worden, zodat de uitgangsstroom van een energievoedingsleiding 10a, 10b telkens een gehjkstroom met gesuperponeerd aandeel met hoge frequentie is. De amplitude van het aandeel met hoge frequentie bepaalt daarbij de stroomvariaties van elke afzonderlijke energievoedingsleiding 10a, 10b. De op het gelijkspanningstussencircuit 9 aanliggende spanning kan door een in fase verschoven aansturingsmodus van elk van de energievoedingsleidingen 10a, 10b ingesteld worden. Door een geschikte keuze van de faseverschuiving in de aansturing van de afzonderhjke energievoedingsleidingen 10a, 10b kunnen de hoogfrequente stroomvariaties van de totale uitgangsstroom gedeeltehjk tot destructieve interferentie gebracht en daardoor geminimaliseerd worden. Dit verlaagt de eisen aan de configuratie van de condensator voor het gelijksspanningstussencircuit 9.

De maximale energie die op te slaan is kan bij de energieopslaginrichting 1 door de parallelschakeling van de energievoedingsleidingen 10a, 10b bereikt worden zonder dat daaruit resulteert dat de totale uitgangsspanning van de energieopslaginrichting 1 met overeenkomstige gevolgen voor de configuratie van de opvolgende componenten zoals bijvoorbeeld de condensator van het gelijksspanningstussencircuit 9, de inverter 4 of de elektrische machine 6 toeneemt.

Fig. 4 toont een schematische weergave van een systeem 100 met een energieopslaginrichting 1 in groter detail. De schakehnrichting 8 omvat daarbij een voedingsschakelaar 18a die tussen de opslaginductiviteiten 2a respectievelijk 2b en de eerste uitgangsaansluiting gekoppeld is en een terugstroomschakelaar 18b, die parallel aan de energievoedingsleiding 10a respectievelijk 10b een knooppunt tussen de voedingsschakelaar 18a en de tweede uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting 1 gekoppeld is.

De voedingsschakelaar 18a en de terugstroomschakelaar 18b kunnen telkens een vermogenstransistorschakelaar 16a respectievelijk 16b alsmede een parallel aan de vermogenstransistorschakelaar geschakelde vrijloopdiode 17a respectievelijk 16b omvatten. De voedingsschakelaar 18a en de terugstroomschakelaar 18b kunnen bijvoorbeeld veldeffecttransistoren (FETs), bipolaire transistors met geïsoleerde gate (IGBTs) of andere geschikte transistortypen omvatten.

Door de koppeling met de voedingsschakelaar 18a en de terugstroomschakelaar 18b kunnen de opslaginductiviteiten 2a, 2b daarbij als opslagelementen voor een synchrone omvormer gebruikt worden, dat betekent, de voedingsschakelaar 18a en de terugstroomschakelaar 18b werken met de opslaginductiviteiten 2a, 2b telkens als synchrone omvormer 3 samen.

Fig. 5 toont een systeem 200 voor de spanningsomvorming van door de energieopslagmodule 3 ter beschikking gestelde gelijkspanning in een n-fasige wisselspanning. Het systeem 200 omvat een energieopslaginrichting 1 met energieopslagmodules 3, die in energievoedingstakken 11a, 11b, 11c met parallel geschakelde energievoedingsleidingen 10a, 10b in serie geschakeld zijn. Bijvoorbeeld zijn in Fig. 5 drie energievoedingstakken 11a, 11b, 11c getoond, die voor de opwekking van een driefasige wisselspanning, bijvoorbeeld voor een draaistroommachine, geschikt zijn. Het is echter duidelijk dat elk ander aantal energievoedingstakken eveneens mogelijk kan zijn. De energieopslaginrichting 1 beschikt bij elke energievoedingstak over een uitgangsaansluiting 12a, 12b, 12c die telkens aan faseleidingen 6a, 6b respectievelijk 6c aangesloten zijn die de energieopslaginrichting 1 met een elektrische machine 6 koppelen. Bijvoorbeeld dient het systeem 200 in Fig. 5 voor de voeding van een elektrische machine 6. Er kan echter ook daarin voorzien zijn dat de energieopslaginrichting 1 voor de opwekking van elektrische stroom voor een energievoorzieningsnetwerk gebruikt wordt.

De energievoedingstakken 11a, 11b, 11c kunnen aan hun einde met een referentiepotentiaal verbonden worden. Deze kan met betrekking tot de faseleidingen 6a, 6b, 6c van de elektrische machine 6 een gemiddelde potentiaal voeren en bijvoorbeeld met een massapotentiaal verbonden worden. Elk van de energievoedingstakken 11a, 11b, 11c omvat ten minste twee parallel geschakelde energievoedingsleidingen 10a, 10b. Bijvoorbeeld bedraagt het aantal van de energievoedingsleidingen 10a, 10b per energievoedingstak in Fig. 5 twee, waarbij echter elk ander aantal van energievoedingsleidingen 10a, 10b eveneens mogelijk is. Bij voorkeur bevat daarbij elk van de energievoedingstakken 11a, 11b, 11c een gelijk aantal energievoedingsleidingen 10a, 10b, waarbij het echter ook mogelijk is voor elke energievoedingstak 11a, 11b, 11c een verschillend aantal aan energievoedingsleidingen 10a, 10b te voorzien.

Fig. 6 toont een schematische weergave van een als voorbeeld gegeven werkwijze 30 voor het bedrijven van een energieopslaginrichting, in het bijzonder een energieopslaginrichting 1, zoals in samenhang met de Fig.

1 tot en met 5 verduidelijkt is. Met de werkwijze 30 kan in een variant een gelijkspanningstussencircuit 9 met een voedingsspanning gevoed worden, die voor de voeding van een wisselrichter 4 voor een elektrische machine 6 kan dienen. Alternatief kan de werkwijze 30 daartoe dienen een meerfasige voedingsspanning ter beschikking te stellen, die telkens direct in faseaansluitingen van een meerfasige elektrische machine 6 gevoed kan worden.

In een eerste stap 31 vindt een aansturen van de koppelinrichtingen 7 van een eerste aantal van energieopslagmodules 3 van de eerste energievoedingsleiding 10a voor het schakelen van de betreffende energieopslagcellenmodule 5 in de eerste energievoedingsleiding 10a plaats. Parallel daaraan kan in een tweede stap een aansturen van een tweede aantal van energieopslagmodules 3 van de tweede energievoedingsleiding 10b voor het schakelen van de betreffende energieopslagcellenmodule 5 in de eerste energievoedingsleiding 10b plaatsvinden. De keuze van het eerste en tweede aantal van energieopslagmodules 3 kan daarbij bijvoorbeeld in afhankelijkheid van de vermogensbehoefte van de elektrische machine 6 of van de actuele tussencircuitspanning van het gehjkspanningstussencircuit 9 plaatsvinden. Verder kan via de toetsmaat van de koppelinrichtingen 7 van de energieopslagmodule 3 de belasting van de afzonderlijke energievoedingsleidingen 10a, 10b aangepast worden.

Daardoor kan in een derde stap 33 een ter beschikking stellen van een uitgangsspanning aan de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting 1 door de aangestuurde energieopslagcellenmodule 5 in de eerste en tweede energievoedingsleidingen 10a, 10b plaatsvinden. De uitgangsstroom, die bij de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting 1 afgegeven wordt, wordt daarbij door de som van de uitgangsstromen van de afzonderlijke energievoedingsleidingen 10a, 10b vooraf bepaald. Door de eerste en tweede opslaginductiviteiten 2a, 2b respectievelijk hun elektrische eigenschappen kunnen deze uitgangstromen begrensd worden.

Door deze werkwijze 30 kan een configuratie van een met de energieopslaginrichting 1 gevoede elektrische machine 6 op de door de aansturing van de energievoedingsleidingen 10a, 10b geregelde tussencircuitspanning van een gelijkspanningstussencircuit plaatsvinden. Verdere optionele componenten, zoals bijvoorbeeld een gelijkspanningsomvormer voor de voeding van een laagspanningsnet, bijvoorbeeld een 14-volt-boordnet, kunnen eveneens gunstig geconfigureerd worden, daar de grote spanningsspreiding bij de geregelde tussencircuitspanning wegvalt.

Een verder voordeel van de werkwijze 30 is de mogelijkheid voor de aanpassing van de voedingsspanning van de energieopslaginrichting 1 aan het toerental van de elektrische machine 6. Bij permanent geactiveerde machines is de poolradspanning van de machine evenredig aan het toerental. Dientengevolge is bij geringe toerentallen slechts een geringe fasespanning nodig. De fasestroom wordt in hoofdzaak door het weer te geven moment bepaald. Door de doorstembare voedingsspanning van de energieopslaginrichting 1 kan de voedingsspanning van de inverter aan de pooradspanning van de elektrische machine 6 aangepast worden. In het bijzonder bij geringe toerentallen en hoog moment kunnen de verliezen in de energieopslaginrichting 1 aanzienlijk gereduceerd worden, daar een parallelschakeling van de energievoedingsleidingen een geringe uitgangsspanning bij een gelijktijdig hoge uitgangstroom mogelijk maakt.

De boven weergegeven systemen 100 respectievelijk 200 zijn ook geschikt voor een terugvoedingsmodus, bijvoorbeeld voor het opladen respectievelijk omladen van de energieopslagcellen 5. Daarbij wordt de telkens voor de energievoedingsleiding 10a respectievelijk 10b gekoppelde opslaginductiviteit 2a respectievelijk 2b als stroom vereffenende smoorspoel gebruikt, die een gelijk blijvende laadstroom in de energieopslagmodule mogelijk maakt. In een terugvoedingsmodus van het systeem 100 in Fig. 3 kunnen bijvoorbeeld de door de opslaginductiviteit 2a respectievelijk 2b, de verbindingsschakelaars 18a en de terugstroomschakelaar 18b gevormde synchrone omvormer van de betreffende energievoedingsleidingen 10a, 10b als stelaandrijving met lage instelling in achterwaartse richting bedreven worden. Daarbij wordt de stroom via de toetsmaat van de verbindingsschakelaar 18a bepaald en dient de opslaginductiviteit 2a respectievelijk 2b voor de vereffening van de stroom.

Claims (9)

1. Energieopslaginrichting (1) voor het opwekken van een voedingsspanning voor een elektrische machine (6), met: een eerste energievoedingsleiding (10a), die via een eerste opslaginductiviteit (2a) met een eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) gekoppeld is; en een tweede energievoedingsleiding (10b), die via een tweede opslaginductiviteit (2b) met de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) gekoppeld is; en die parallel aan de eerste energievoedingsleiding (10a) geschakeld is, waarbij elk van de energievoedingsleidingen (10a; 10b) omvat: één of meerdere energieopslagmodules (3), die telkens voorzien van een energieopslagcellenmodule (5) met ten minste één energieopslagcel (5a, 5k) en een koppehnrichting (7) met een veelvoud aan koppelelementen (7a, 7b, 7c, 7d), die ingericht is om de energieopslagcellenmodule (5) selectief in de betreffende energievoedingsleiding (10a; 10b) te schakelen of te overbruggen; en waarbij de eerste en tweede energievoedingsleidingen (10a; 10b) ingericht zijn om een voedingsspanning op de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) beschikbaar te stellen.

2. Energieopslaginrichting (1) volgens conclusie 1, verder met: een schakehnrichting (8), die de eerste en tweede opslaginductiviteiten (2a, 2b) schakelbaar met de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) koppelt.

3. Energieopslaginrichting (1) volgens conclusie 2, waarbij de schakehnrichting voorzien is van: een eerste verbindingsschakelaar (18a), die tussen de eerste opslaginductiviteit (2a) en de eerste uitgangsaansluiting gekoppeld is; een eerste terugstroomschakelaar (18b), die een knooppunt tussen de eerste verbindingsschakelaar (18a) en de eerste opslaginductiviteit (2a) met een tweede uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) koppelt; een tweede verbindingsschakelaar (18b), die tussen de tweede opslaginductiviteit (2b) en de eerste uitgangsaansluiting gekoppeld is; en een tweede terugstroomschakelaar (18b), die een knooppunt tussen de tweede verbindingsschakelaar (18a) en de tweede opslaginductiviteit (2b) met een tweede uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) koppelt; waarbij de opslaginductiviteiten (2a, 2b) gemeenschappelijk met de betreffende terugstroomschakelaars (18b) en verbindingsschakelaars (18a) telkens een hoge instelhng van de stelaandrijvingsfunctie voor de uitgangsspanning van de betreffende energievoedingsleiding (10a; 10b) realiseren.

4. Energieopslaginrichting (1) volgens conclusie 1, verder met: een veelvoud aan parallel geschakelde eerste en tweede energievoedingsleidingen (10a; 10b), die telkens via eerste en tweede opslaginductiviteiten (2 a, 2b) met een veelvoud aan eerste uitgangsaansluitingen (12a, 12b, 12c) gekoppeld zijn, waarbij de eerste en tweede energievoedingsleidingen (10a; 10b) telkens ingericht zijn om een fasespanning op de betreffende van het veelvoud van de eerste uitgangsaansluitingen (12a, 12b, 12c) van de energieopslaginrichting (1) beschikbaar te stellen.

5. Systeem (100; 200), met: een energieopslaginrichting (1) van een van de conclusies 1 tot en met 4; en een besturingsinrichting (11), die met de energieopslaginrichting (1) gekoppeld is, en die ingericht is de koppelinrichtingen (7) van de energieopslagmodules (3) voor het instellen van een voedingsspanning op de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) aan te sturen.

6. Systeem (100) volgens conclusie 5, verder met: een gelijkspanningstussencircuit (9), dat met de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting (1) gekoppeld is.

7. Systeem (100) volgens conclusie 6, verder met: een inverter (4), die met het gelijkspanningstussencircuit (9) gekoppeld is; en een elektrische machine (6), die met de inverter (4) gekoppeld is, waarbij de inverter (4) ingericht is om de spanning van het gelijkspanningstussencircuit (9) in een ingangsspanning voor de elektrische machine (6) om te zetten.

8. Systeem (200) volgens conclusie 5, waarbij de energieopslaginrichting (1) volgens conclusie 4 uitgevoerd is, verder met: een elektrische machine (6) met n-fasen, waarbij n>l, waarvan de faseaansluitingen (6a, 6b, 6c) telkens met één van het veelvoud aan eerste uitgangsaansluitingen (12a, 12b, 12c) gekoppeld zijn, waarbij de energieopslaginrichting (1) ingericht is om een voedingsspanning met n-fasen voor de elektrische machine (6) ter beschikking te stellen.

9. Werkwijze (3) voor het ter beschikking stellen van een voedingsspanning in een energieopslaginrichting (1) volgens een van de conclusies 1 tot en met 4, met de stappen: het aansturen (31) van de kopp elinrichtingen (7) van een eerste aantal van energieopslagmodules (3) van de eerste energievoedingsleiding (10a) voor het schakelen van de betreffende energieopslagcellenmodule (5) in de eerste energievoedingsleiding (10a); het aansturen (32) van de koppelinrichtingen (7) van een tweede aantal van energieopslagmodules (3) van de tweede energievoedingsleiding (10b) voor het schakelen van de betreffende energieopslagcellenmodule (5) in de tweede energievoedingsleiding (10b); en het ter beschikking stellen (33) van een uitgangsspanning op de eerste uitgangsaansluiting van de energieopslaginrichting door de aangestuurde energieopslagcellenmodules (5) in de eerste en tweede energievoedingsleidingen (10a, 10b).