WO2012028344A1 - Energiespeicheranordnung - Google Patents

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WO2012028344A1 PCT/EP2011/058173 EP2011058173W WO2012028344A1 WO 2012028344 A1 WO2012028344 A1 WO 2012028344A1 EP 2011058173 W EP2011058173 W EP 2011058173W WO 2012028344 A1 WO2012028344 A1 WO 2012028344A1
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Thomas Götze
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to an energy storage arrangement according to the preamble of claim 1.
  • Such an energy storage arrangement has as capacitive storage cells accumulator cells, in particular lithium-ion accumulators, each having a state of charge voltage in the range of 2V to 4V.
  • capacitive storage cells accumulator cells in particular lithium-ion accumulators, each having a state of charge voltage in the range of 2V to 4V.
  • accumulator cells in particular lithium-ion accumulators, each having a state of charge voltage in the range of 2V to 4V.
  • the sum voltage from this energy storage arrangement also referred to as battery voltage, must be in a range which is suitable for the traction converter, which is mainly operated as an inverter.
  • the aforementioned DE 10 2008 021 090 Al discloses a method for exchanging electrical charge between memory cells of a memory module and a circuit arrangement for carrying out this method.
  • This balancing method is counted among the inductive methods of regenerative balancing methods.
  • To control the voltage balancing a plurality of memory cells of a memory module includes this memory module to a control device which is signal-technically coupled to each memory cell of a memory module and a switch of each memory cell as ⁇ tentechnische.
  • a battery management ⁇ management system is disclosed openly ⁇ in the aforementioned US patent.
  • a battery control device By means of a battery control device, not only the cell voltage but also its temperature is monitored, so that a memory module or an energy storage arrangement pointing at several memory modules can be safely operated. If the memory cells of a memory module heat up differently, this leads to different aging of the memory cells of a memory module.
  • a high-step-down divider is used according to EP 1 753 634 B1.
  • a drive system disclosed in this EP patent is illustrated schematically in FIG.
  • the invention is an object of the invention to provide an energy ⁇ memory arrangement that can spew directly without the interposition of a bidirectionally operated voltage adjuster a traction ⁇ judge of a battery-powered vehicle.
  • each capacitive cell of each memory module of an energy storage arrangement is assigned a high- gain divider, one can dispense with a centrally arranged high- gain divider for adapting a voltage of the energy storage arrangement to an input DC voltage of a traction converter and secondly to one of the known balancing circuits of an energy storage arrangement become.
  • each capacitive memory cell of an energy storage device is equipped with a high-gain divider, these high-depth setters work at lower voltages, for example less than 20V.
  • small-signal MOSFETs can be used as the selector switch .
  • each high-set divider of a memory cell of a memory module can be integrated in this memory module.
  • This cell-based high-down converter in each case of a memory module of an energy storage arrangement are by weight or by volume, less than a ⁇ Energyspei cheran extract with a centrally arranged Hochtiefsetz- imputed according to EP 1753634 Bl.
  • each memory cell of an energy storage device is provided with its own high-step down divider, which can carry operating current, the battery control device can now be optimally balanced in all states, even when driving and during fast charging.
  • an existing battery control device of an energy storage device can control each of its capacitive memory cells such that all the memory cells have the same temperature despite different mounting locations.
  • a different aging of the memory cells of an energy storage arrangement is further reduced.
  • each Hochtiefsetz- has a separator on. This excludes such a defective memory cell from the composite of the memory cells a plurality of memory modules that Ener ⁇ gie Eatanowski can continue to operate redundantly with a slightly reduced capacity. Such a defective memory cell may then be replaced at a next service. Due to the failure of a memory cell according to the invention from the composite of the memory cells of a
  • the Zel ⁇ lenstrom shares at high step-down converter according to the number of parallel-connected partial. That is, each sub-high-set divider performs only a partial current of the cell current.
  • FIG. 1 an equivalent circuit diagram of a known ⁇ drive system a battery-powered vehicle is Darge ⁇ represents.
  • This drive system has a traction converter 2, a three-phase motor 4, a high-setting converter 6, a battery 8 and a control device 10.
  • a traction converter 2 a self-commutated converter, in particular an IGBT pulse converter, is provided, which is operated while driving as an inverter.
  • the three-phase motor 4 is connected with its terminals.
  • DC voltage side terminals 12 and 14 of this traction converter 2 are each electrically connected to output terminals 16 and 18 of the Hochtiefsetzstellers 6.
  • the battery 8 Electrically parallel to input terminals 20 and 22 of the Hochtiefsetzstellers 6, the battery 8 is connected. Electrically in parallel to the output terminals 16, 18 of the high-speed converter 6 and to the direct-voltage side terminals 12, 14 of the traction rectifier 2, a capacitor 24 is connected as a support or smoothing capacitor.
  • the Hochtiefsetzsteller 6 has two turn-off semiconductor switches T7 and T8, which are electrically connected in series, said series is elekt ⁇ risch connected in parallel to the output terminals 16 and 18 of the Hochtiefsetzstellers.
  • Insulated gate bipolar transistors are provided as turn-off semiconductor switches T7 and T8, to each of which a diode D7 and D8 are connected in antiparallel, which are also referred to as freewheeling diode.
  • a Verbin ⁇ ground point 26 of these two series-connected semiconductor switches abschaltba- ren T7 and T8 is electrically conductively connected to the input terminal 20 by means of a throttle 28th
  • the current i L through the throttle 28, which is also referred to as Speicherdros ⁇ sel, is measured and the control device 10 is supplied. Also, the determined voltage U B of the battery 8 of this control device 10 supplies.
  • this control calculates 10 control signals S7, Ss for the turn-off semiconductor switches T7 and T8 of the Hochtiefsetzstellers 6 and control signals S v for the turn-off semiconductor switches T1, ..., T6 of traction converter 2. Since this Hochtiefsetzstel- lers 6 has these two turn-off semiconductor switches T7 and T8, is this Hochtiefsetzstellers 6 bidirectionally operable.
  • the three-phase motor 4 is operated as a generator and feeds energy to the capacitor 24, which is fed from there into the battery, whereby it is charged again.
  • a DC input voltage required for the traction current converter 2 is generated from the battery voltage U B.
  • the structure of the battery 8 for a battery-powered vehicle driving ⁇ is shown in more detail in FIG 2.
  • This battery 8 be ⁇ is a series connection of m memory module
  • Each memory module 30i, ..., 30 m comprises a series connection of n ka- pazitiven memory cells 32i, ..., 32 n, which are also elec tric ⁇ connected in series.
  • One terminal of the storage ⁇ module 30i and the memory module 30 m each form a battery terminal 34.36 of the battery 8 which are electrically conductively connected to input ⁇ circuits 20,22 of the high-down converter. 6 Because of the large number of capacitive memory cells 32n, 32 nm and their interconnection, this battery 8 is also referred to as an energy storage arrangement 8.
  • This energy storage device 8 also has a battery monitoring system 38 and a battery control device 40, the data technology, for example by means of a data bus 42, are linked together.
  • the battery monitoring system 38 is supplied with the cell voltages Un,..., U mri of the capacitive storage cells 32n, 32 mn . There are also still the temperatures of the capacitive storage cells 32n, 32 mn supplied to this battery monitoring system 38th. These determined signals from the battery controller 40 are fed, which determines from these signals whether individual memory cells 32n, 32 mn have to be additionally charged or discharged to to achieve capacity equalization. Through this capacity compensation is achieved that the usable capacity is equal to ⁇ approaching the rated capacity of the energy storage assembly.
  • FIG 3 an energy storage device 8 is shown simplified according to the invention.
  • These high-stepping converters 44n, 44 mn are electrically connected in series with each other.
  • FIG. 4 shows in more detail an equivalent circuit diagram of a cell-based high-set converter 44n.
  • This zellenba ⁇ catalyzed high-down converter 44n has, as the high-down converter 6 of the drive system of Figure 1, two switches 46n and 48n that are electrically connected in series on.
  • a charging capacitor 50n is connected.
  • a check circuit of the capacitive memory cell 32n 46n and 48n is electrically conductively connected by means of a throttle 52n to a connection point of these two scarf ⁇ ter.
  • 44n is a cell voltage Un on. Since each capacitive storage cell 32n, 21 mn of the power storage system 8, a high step-down converter is assigned to 44n and the Zellenspan- Un, ..., U mri between 2V and 4V, in particular 3.3V, lie in egg ⁇ ner silicon diode memory cell, 44n MOSFETs are provided as switches 46n and 48n of a cell-based Hochtiefsetzstellers. These small-signal MOSFETs can be clocked with operating frequencies up to the MHz range, whereby the passive components 50n and 52n of each cell-based step-down converter 44n are structurally very small.
  • each cell-based Hochtief releasing divider 44n takes up a small space, so that it can be integrated in egg nem associated memory module 30i the Energy Eatanord ⁇ voltage. 8
  • the volume and the weight of this energy storage arrangement 8 with integrated deep-well actuators 44n, 44 nm are less than the combination of the battery 8 and the central high-set converter according to FIG.
  • each capacitive storage cell 32n, 32 mn of Energyspei ⁇ cheran elbow 8 with a cell-based high-down converter 44n, 44 mn is provided, which can cause operating current, the battery control device can achieve an optimum power balance in all states 42, also during a driving operation and during a fast charge.
  • all capacitive storage cells can 32n invite 32 mn despite large tolerances in full and discharged. This increases the available capacity of the energy storage device 8.
  • a strict preselection of lithium-ion cells in the production of an energy storage device 8 according to the invention is no longer necessary. Since each capacitive storage cell 32n, 32 mn of this energy storage device 8 may be controlled individually, the memory cells no longer aging 32n, 32 mn of an energy storage assembly 8 according to the invention in different ways. That is, the life of the energy storage device 8 increases, their production costs decrease.
  • each capacitive storage may cherzelle 32n, 32 mn are controlled such that all kapa ⁇ citation memory cells 32n, 32 mn despite different slot within this energy storage device 8 has the same temperature. As a result, a different aging of the capacitive memory cells likewise occurs
  • FIG 5 an advantageous embodiment of a zel ⁇ lenbas designed high step-down converter 44n is shown in detail.
  • these illustration are as turn-off switch 46n and
  • a cell-based high-step-down divider 44n is divided into a plurality of cell-based high-step-down splitters, so that the cell current corresponds to the number of cell-based electrical connections in parallel
  • each advantageous embodiment of a zel ⁇ lenbas striving high step-down converter 44n another scarf ⁇ ter 54n, of the two series-connected switch is arranged 46n and 48n point between choke 52n and a connection.
  • Means 32 mn of the energy storage device 8 may 54n of this switch a FEH ⁇ lerhafte capacitive storage cell 32n of the series scarf ⁇ processing of the capacitive memory cells 32n can be removed such that the energy storage device can be operated on with a changed capacitance value.
  • the switch 54n which is closed during normal operation, is opened.
  • Au ⁇ for putting in both switches are closed 46n and 48n so that the outputs of the cell-based high-down converter are shorted 44n.
  • the energy storage arrangement 8 can continue to be operated redundantly. Due to the inventive design of a Energyspei ⁇ cheranssen 8 faulty capacitive memory cells 32n, 32 mn can be replaced without thereby changing the available capacity of this energy storage device 8 what. In addition, its capacity and the system voltage can be optimized independently of each other by means of the energy storage device 8 according to the invention.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeicheranordnung (8) mit wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Speichermodulen (301,..., 30m), die jeweils eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen (321,..., 32n) aufweisen, und mit einer Batteriesteuereinrichtung (40), die signaltechnisch mit jeder kapazitiven Speicherzelle (3211,..., 32mn) verknüpft ist. Erfindungsgemäss ist jede kapazitive Speicherzelle (3211,..., 32mn) mit einem Hochtiefsetzsteller (4411,..., 44mn) verschaltet und sind jeder Ausgang dieser Hochtiefsetzsteller (4411,..., 44mn) mit der Batteriesteuereinrichtung (40) signaltechnisch verknüpft. Somit erhält man eine Energiespeicheranordnung, die einen Fahrstromrichter direkt speisen kann, und die keine Symmetrierungsschaltung mehr benötigt.

Description

Beschreibung
Energiespeicheranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeicheranordnung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Energiespeicheranordnung ist beispielsweise aus der US 7 755 331 B2 bzw. DE 10 2008 021 090 AI bekannt.
Eine derartige Energiespeicheranordnung weist als kapazitive Speicherzellen Akkumulatorzellen, insbesondere Lithium-Ionen- Akkumulatoren auf, die jeweils nach Ladezustand eine Spannung im Bereich von 2V bis 4V aufweisen. Zur Bereitstellung einer vorbestimmten Spannung, beispielsweise für einen Fahrstromrichter eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, müssen so viele Speicherzellen elektrisch in Reihe geschaltet werden, dass die verfügbare Energie und die Maximalleistung für den Fahr¬ zeugzweck ausreichend ist. Außerdem muss die Summenspannung aus dieser Energiespeicheranordnung, auch als Batteriespannung bezeichnet, in einem Bereich liegen, der für den Fahrstromrichter, der vorwiegend als Wechselrichter betrieben wird, geeignet ist. Wegen unvermeidlicher Kapazitätstoleranzen ergeben sich beim Laden der in Reihe geschalteten Speicherzellen verschiedene Spannungen der Speicherzellen einer Speicheranordnung, die im Folgenden als Speichermodul bezeichnet wird. Um die Fähigkeit der Speicherzellen eines Speichermoduls zur Energiespeiche- rung optimal ausnutzen zu können, muss durch Ladungsausgleich eine gleichmäßige, auch als symmetrisch bezeichnete Span¬ nungsverteilung der Speicherzellen eines Speichermoduls eingestellt werden. Bei Anwendung in elektrischen Antrieben, wie beispielsweise bei batteriebetriebenen Fahrzeugen, zu den auch Hybridfahrzeuge gezählt werden, übersteigt die Versorgungsspannung die Spannung eines Speichermoduls. In Abhängigkeit von einer ge- forderten Versorgungsspannung, die wesentlich höher ist als die Spannung eines Speichermoduls, müssen mehrere Speichermo¬ dule elektrisch in Reihe geschaltet werden. Dies gilt eben¬ falls für eine Hochspannungsanordnung, beispielsweise bei Straßenbahnen. Bei solchen Anwendungen ist insbesondere eine Vielzahl von Speichermodulen elektrisch in Reihe geschaltet, wobei jedes Speichermodul n elektrisch in Reihe geschaltete kapazitive Speicherzellen aufweist. In einer derartigen aus m Speichermodulen aufgebauten Energiespeicheranordnung ist ne- ben der Symmetrierung der n kapazitiven Speicherzellen eines jeden der m Speichermodule auch eine Symmetrierung der m Speichermodule untereinander erforderlich.
Die eingangs genannte DE 10 2008 021 090 AI offenbart ein Verfahren zum Austausch elektrischer Ladung zwischen Speicherzellen eines Speichermoduls und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dieses Symmetrierungsver- fahren wird zu den induktiven Verfahren der regenerativen Symmetrierungsverfahren gezählt. Zur Steuerung der Spannungs- Symmetrierung mehrerer Speicherzellen eines Speichermoduls weist dieses Speichermodul eine Steuereinrichtung auf, die signaltechnisch mit einer jeden Speicherzelle eines Speichermoduls und mit einem Schalter einer jeden Speicherzelle da¬ tentechnische gekoppelt ist. Ein derartiges Batteriemanage¬ mentsystems ist in dem eingangs genannten US-Patent offen¬ bart .
Mittels einer Batteriesteuereinrichtung wird nicht nur die Zellenspannung sondern auch dessen Temperatur überwacht, da- mit ein Speichermodul bzw. eine mehrere Speichermodule auf¬ weisende Energiespeicheranordnung sicher betrieben werden kann. Erwärmen sich die Speicherzellen eines Speichermoduls unterschiedlich, so führt dies zu unterschiedlicher Alterung der Speicherzellen eines Speichermoduls.
Da eine aus mehreren Speichermodulen aufgebaute Energiespei¬ cheranordnung bei einer Verwendung in einem batteriegespeisten Fahrzeug am kostspieligsten ist, wird die Betriebsspan- nung des Antriebssystems eines batteriegespeisten Fahrzeugs von der geforderten Energie und Leistung der Energiespeicheranordnung bestimmt, wobei dessen Spannung nicht passend für einen Fahrstromrichter dieses batteriegespeisten Fahr- zeugs ist. Wegen dieser Spannungsunterschiede kann eine sol¬ che Energiespeicheranordnung nicht ohne Potentialtrennung zu einem speisenden Netz geladen werden.
Um die Spannung einer Energiespeicheranordnung an eine Ein- gangsgleichspannung eines Fahrstromrichters anzugleichen, wird gemäß der EP 1 753 634 Bl ein Hochtiefsetzsteiler verwendet. Ein in diesem EP-Patent offenbarten Antriebssystem ist in der Figur 1 schematisch veranschaulicht. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Energie¬ speicheranordnung anzugeben, die ohne Zwischenschaltung eines bidirektional betriebenen Spannungsstellers einem Fahrstrom¬ richter eines batteriebetriebenen Fahrzeugs direkt speien kann .
Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit dessen kennzeichnenden Merk¬ malen erfindungsgemäß gelöst. Dadurch, dass jeder kapazitiven Zelle eines jeden Speichermoduls einer Energiespeicheranordnung ein Hochtiefsetzsteiler zugeordnet ist, kann einerseits auf einen zentral angeordne¬ ten Hochtiefsetzsteiler zur Anpassung einer Spannung der Energiespeicheranordnung an eine Eingangs-Gleichspannung ei- nes Fahrstromrichters und andererseits auf eine der bekannten Symmetrierungsschaltungen einer Energiespeicheranordnung verzichtet werden. Dadurch, dass jede kapazitive Speicherzelle einer Energiespeicheranordnung mit einem Hochtiefsetzsteiler ausgestattet ist, arbeiten diese Hochtiefsetzsteiler bei kleineren Spannungen, beispielsweise kleiner 20V. Dadurch können als Stellerschalter jeweils Kleinsignal-MOSFETs ver¬ wendet werden. Diese Kleinsignal-MOSFETs können mit Arbeits¬ frequenzen bis in den MHz-Bereich getaktet werden, wodurch passive Komponenten des Hochtiefsetzstellers , beispielsweise Stellerdrossel und Stellerkondensator baulich sehr klein werden. Dadurch kann jeder Hochtiefsetzsteiler einer Speicherzelle eines Speichermoduls in diesem Speichermodul integriert werden. Diese zellenbasierten Hochtiefsetzsteiler jeweils eines Speichermoduls einer Energiespeicheranordnung sind gewichtsmäßig und volumenmäßig kleiner als eine Energiespei¬ cheranordnung mit einem zentral angeordneten Hochtiefsetz- stellter gemäß der EP 1 753 634 Bl .
Da jede Speicherzelle einer Energiespeicheranordnung nach der Erfindung mit einem eigenen Hochtiefsetzsteiler versehen ist, der Betriebsstrom führen kann, kann nun die Batteriesteuereinrichtung in allen Zuständen einen optimalen Ladungsaus- gleich erreicht werden, auch beim Fahren und bei Schnellladung .
Durch die erfindungsgemäße Ausführung einer Energiespei¬ cheranordnung lässt sich alle Speicherzelle dieser Energie- speicheranordnung trotz großer Toleranzen ohne Verwendung einer bekannten Symmetrierungsschaltung voll laden und entladen. Dadurch steigt die verfügbare Kapazität dieser Energie¬ speicheranordnung. Eine strenge Vorauswahl von kapazitiven Speicherzellen bei der Herstellung einer Energiespeicheran- Ordnung ist nicht mehr von Nöten. Außerdem altern dann die kapazitiven Speicherzellen einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung nicht mehr unterschiedlich, wodurch die Lebensdauer einer derartigen Energiespeicheranordnung sich verlängert .
Des Weiteren kann eine vorhandene Batteriesteuereinrichtung einer Energiespeicheranordnung nach der Erfindung jede seiner kapazitiven Speicherzellen so steuern, dass alle Speicherzellen trotz unterschiedlichem Einbauplatz die gleiche Tempera- tur aufweist. Dadurch wird eine unterschiedliche Alterung der Speicherzellen einer Energiespeicheranordnung weiter vermindert . Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer Energiespeicheranordnung nach der Erfindung weist jeder Hochtiefsetz- steller eine Trennvorrichtung auf. Dadurch kann eine defekte Speicherzelle aus dem Verbund der Speicherzellen mehrerer Speichermodule derart ausgeschlossen werden, dass die Ener¬ giespeicheranordnung mit leicht verminderter Kapazität redundant weiterbetrieben werden kann. Eine derartige defekte Speicherzelle kann dann bei einer nächsten Wartung ausgetauscht werden. Durch den Ausfall einer Speicherzelle, die erfindungsgemäß aus dem Verbund der Speicherzellen einer
Energiespeicheranordnung ausgeschlossen wird, kommt es nicht zu einem Ausfall eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, dass aus dieser Energiespeicheranordnung gespeist wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Energiespeicheranordnung nach der Erfindung weist jeder Hochtief- setzsteiler mehrere Teil-Hochtiefsetzsteiler auf, die elektrisch parallel geschaltet sind. Dadurch teilt sich der Zel¬ lenstrom entsprechend der Anzahl parallel geschalteter Teil- Hochtiefsetzsteiler auf. D.h., jeder Teil-Hochtiefsetzsteiler führt nur noch einen Teilstrom des Zellenstromes.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen der erfin- dungsgemäßen Energiespeicheranordnung schematisch veranschaulicht sind. zeigt ein bekanntes Antriebssystem eines batteriebe¬ triebenen Fahrzeugs, die
zeigt eine Prinzipdarstellung einer herkömmlichen Energiespeicheranordnung, in der
ist eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung dargestellt, und die
zeigt einen zellenbasierten Hochtiefsetzsteiler, wobei in der
eine vorteilhafte Ausgestaltung eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers dargestellt ist. In der FIG 1 ist ein Ersatzschaltbild eines bekannten An¬ triebssystems eines batteriebetriebenen Fahrzeugs darge¬ stellt. Dieses Antriebssystem weist einen Fahrstromrichter 2, einen Drehstrommotor 4, einen Hochtiefsetzsteller 6, eine Batterie 8 und eine Steuereinrichtung 10 auf. Als Fahrstromrichter 2 ist ein selbstgeführter Stromrichter, insbesondere ein IGBT-Pulsstromrichter, vorgesehen, der im Fahrbetrieb als Wechselrichter betrieben wird. An seinen wechselspannungssei- tigen Anschlüssen R, S und T ist der Drehstrommotor 4 mit seinen Anschlüssen angeschlossen. Gleichspannungsseitige Anschlüsse 12 und 14 dieses Fahrstromrichters 2 sind jeweils mit Ausgangs-Anschlüssen 16 und 18 des Hochtiefsetzstellers 6 elektrisch leitend verbunden. Elektrisch parallel zu Eingangs-Anschlüssen 20 und 22 des Hochtiefsetzstellers 6 ist die Batterie 8 geschaltet. Elektrisch parallel zu den Aus¬ gangs-Anschlüssen 16, 18 des Hochtiefsetzstellers 6 und zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 12, 14 des Fahrstromrichters 2 ist ein Kondensator 24 als Stütz- bzw. Glättungs- kondensator geschaltet. Der Hochtiefsetzsteller 6 weist zwei abschaltbare Halbleiterschalter T7 und T8 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei diese Reihenschaltung elekt¬ risch parallel zu den Ausgangs-Anschlüssen 16 und 18 des Hochtiefsetzstellers geschaltet ist. Als abschaltbarer Halbleiterschalter T7 und T8 sind Insula- ted-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) vorgesehen, denen jeweils eine Diode D7 und D8 antiparallel geschaltet sind, die ebenfalls als Freilaufdiode bezeichnet werden. Ein Verbin¬ dungspunkt 26 dieser beiden in Reihe geschalteten abschaltba- ren Halbleiterschalter T7 und T8 ist mittels einer Drossel 28 mit dem Eingangs-Anschluss 20 elektrisch leitend verbunden. Der Strom iL durch die Drossel 28, die auch als Speicherdros¬ sel bezeichnet wird, wird gemessen und der Steuereinrichtung 10 zugeführt. Ebenfalls die ermittelte Spannung UB der Batte- rie 8 dieser Steuereinrichtung 10 zuführt. In Abhängigkeit von Sollwerten T*, n* für ein Drehmoment T und einer Drehzahl n des Drehstrommotors, eines ermittelten Laststromes iL und gemessener Motorströme iu, iv und iw berechnet diese Steu- ereinrichtung 10 Steuersignale S7,Ss für die abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 des Hochtiefsetzstellers 6 und Steuersignale Sv für die abschaltbaren Halbleiterschalter T1,...,T6 des Fahrstromrichters 2. Da dieser Hochtiefsetzstel- lers 6 diese beiden abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 aufweist, ist dieser Hochtiefsetzstellers 6 bidirektional betreibbar. D.h., während eines Bremsbetriebes des Fahrzeugs wird der Drehstrommotor 4 generatorisch betrieben und speist Energie zum Kondensator 24, die von da in die Batterie ge- speist wird, wodurch diese wieder geladen wird. Mittels die¬ ses Hochtiefsetzstellers 6 wird aus der Batteriespannung UB eine für den Fahrstromrichter 2 geforderte Eingangs-Gleichspannung generiert. Der Aufbau der Batterie 8 für ein batteriebetriebenes Fahr¬ zeug ist in der FIG 2 näher dargestellt. Diese Batterie 8 be¬ steht aus einer Reihenschaltung von m Speichermodul
30i,...,30m, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jedes Speichermodul 30i,...,30m weist eine Reihenschaltung von n ka- pazitiven Speicherzellen 32i,...,32n auf, die ebenfalls elek¬ trisch in Reihe geschaltet sind. Ein Anschluss des Speicher¬ moduls 30i und des Speichermoduls 30m bilden jeweils eine Batterieklemme 34,36 der Batterie 8, die mit Eingangs-An¬ schlüssen 20,22 des Hochtiefsetzstellers 6 elektrisch leitend verbunden sind. Wegen der Vielzahl an kapazitiven Speicherzellen 32n, 32mn und deren Verschaltung wird diese Batterie 8 auch als Energiespeicheranordnung 8 bezeichnet. Diese Energiespeicheranordnung 8 weist außerdem noch ein Batteriemonitoringsystem 38 und eine Batteriesteuereinrichtung 40 auf, die datentechnisch, beispielsweise mittels eines Datenbusses 42, miteinander verknüpft sind. Dem Batteriemonitoringsystem 38 sind die Zellenspannungen Un,...,Umri der kapazitiven Speicherzellen 32n, 32mn zugeführt. Es werden außerdem noch die Temperaturen der kapazitiven Speicherzellen 32n, 32mn diesem Batteriemonitoringsystem 38 zugeführt. Diese ermittelten Signale werden der Batteriesteuereinrichtung 40 zugeführt, die aus diesen Signalen bestimmt, ob einzelne Speicherzellen 32n, 32mn zusätzlich geladen oder entladen werden müssen, um einen Kapazitätsausgleich zu erreichen. Durch diesen Kapazitätsausgleich wird erreicht, dass die nutzbare Kapazität an¬ nähernd gleich der Nennkapazität der Energiespeicheranordnung 8 ist. Zur Erreichung dieses Kapazitätsausgleiches werden bisher Symmetrierungsschaltungen verwendet, die beispielsweise in der älteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2010 029 427.6 und mit dem Prioritätsda¬ tum 28.05.2010 miteinander verglichen sind. In der FIG 3 ist eine Energiespeicheranordnung 8 nach der Erfindung vereinfacht dargestellt. Erfindungsgemäß ist jeder kapazitiven Speicherzelle 32n, 32mn ein Hochtiefsetzsteller 44n, 44mn zugeordnet, der steuerungsseitig mit der Batterie¬ steuereinrichtung 40 verknüpft ist. Diese Hochtiefsetzsteller 44n, 44mn sind untereinander elektrisch in Reihe geschaltet. Durch die datentechnische Verknüpfung mit der Batteriesteuereinrichtung 40 wird jeder Hochtiefsetzsteller 44n, 44mn einer jeden kapazitiven Speicherzelle 32n, 32mn der Energiespeicheranordnung 8 direkt von dieser Batteriesteuereinrich- tung 40 gesteuert. Dabei erfüllt diese Batteriesteuereinrich¬ tung 40 beispielsweise die Steuerungsaufgaben Zellüberwa¬ chung, Gleichspannungs-Regelung, statischer und dynamischer Ladungsausgleich und Temperaturüberwachung. In der FIG 4 ist ein Ersatzschaltbild eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 44n näher dargestellt. Dieser zellenba¬ sierte Hochtiefsetzsteller 44n weist wie der Hochtiefsetz- steller 6 des Antriebssystems gemäß FIG 1 zwei Schalter 46n und 48n, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, auf.
Elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung zweier Schalter 46n und 48n ist ein Ladekondensator 50n geschaltet. Ein An- schluss der kapazitiven Speicherzelle 32n ist mittels einer Drossel 52n mit einem Verbindungspunkt dieser beiden Schal¬ ter 46n und 48n elektrisch leitend verbunden. An den Aus- gangsanschlüssen des zellenbasierten Hochtiefsetzstellers
44n steht eine Zellentspannung Un an. Da jeder kapazitiven Speicherzelle 32n, 21mn der Energiespeicheranordnung 8 ein Hochtiefsetzsteller 44n zugeordnet ist und die Zellenspan- nung Un,...,Umri zwischen 2V und 4V, insbesondere 3,3V, bei ei¬ ner Silizium-Diode-Speichezelle liegen, sind als Schalter 46n und 48n eines zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 44n MOSFETs vorgesehen. Diese Kleinsignal-MOSFETs können mit Ar- beitsfrequenzen bis in den MHz-Bereich getaktet werden, wodurch die passiven Komponenten 50n und 52n eines jeden zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 44n baulich sehr klein ausfallen. Dadurch beansprucht jeder zellenbasierte Hochtief- setzsteiler 44n einen geringen Platz, so dass dieser in ei- nem zugehörigen Speichermodul 30i der Energiespeicheranord¬ nung 8 integriert werden kann. Das Volumen und das Gewicht dieser Energiespeicheranordnung 8 mit integrierten Hochtief- setzstellern 44n, 44mn sind geringer als die Kombination der Batterie 8 und des zentralen Hochtiefsetzstellers gemäß FIG 1.
Da jede kapazitive Speicherzelle 32n, 32mn der Energiespei¬ cheranordnung 8 mit einem zellenbasierten Hochtiefsetzsteiler 44n, 44mn versehen ist, der Betriebsstrom führen kann, kann die Batteriesteuereinrichtung 42 in allen Zuständen einen optimalen Leistungsausgleich erreichen, auch während eines Fahrbetriebes und während einer Schnellladung.
Somit lassen sich alle kapazitiven Speicherzellen 32n, 32mn trotz großer Toleranzen vollständig laden und entladen. Damit steigt die verfügbare Kapazität der Energiespeicheranordnung 8. Eine strenge Vorauswahl von Lithium-Ionen-Zellen bei der Herstellung einer Energiespeicheranordnung 8 gemäß der Erfindung ist nicht mehr nötig. Da jede kapazitive Speicherzelle 32n, 32mn dieser Energiespeicheranordnung 8 individuell gesteuert werden kann, altern die Speicherzellen 32n, 32mn einer Energiespeicheranordnung 8 nach der Erfindung nicht mehr unterschiedlich. D.h., die Lebensdauer der Energiespeicheranordnung 8 steigt, wobei deren Herstellungskosten sinken.
Durch den direkten Zugriff der Batteriesteuereinrichtung 40 auf jede kapazitive Speicherzelle 32n, 32mn der Energiespei¬ cheranordnung 8 nach der Erfindung kann jede kapazitive Spei- cherzelle 32n, 32mn derart gesteuert werden, dass alle kapa¬ zitiven Speicherzellen 32n, 32mn trotz unterschiedlichem Einbauplatz innerhalb dieser Energiespeicheranordnung 8 die gleiche Temperatur aufweist. Dadurch wird ebenfalls eine un- terschiedliche Alterung der kapazitiven Speicherzellen
32n, 32mn vermieden.
In der FIG 5 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines zel¬ lenbasierten Hochtiefsetzstellers 44n näher dargestellt. In dieser Darstellung sind als abschaltbare Schalter 46n und
48n jeweils ein MOSFET vorgesehen. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform sind ein zellenbasierter Hochtiefsetzsteiler 44n auf eine Vielzahl zellenbasierten Hochtiefsetzsteiler aufgeteilt, so dass sich der Zellenstrom entsprechend der An- zahl der elektrisch parallel geschalteten zellenbasierten
Hochtiefsetzsteiler ebenfalls aufteilt. Dadurch fließt durch die Komponenten 46n, 48n und 52n eines jeden zellenbasierten Hochtiefsetzstellers nur ein Teil des Zellenstroms. Dadurch können noch stromtragschwächere MOSFETs verwendet werden, die noch weniger Platz beanspruchen.
Außerdem weist jede vorteilhafte Ausführungsform eines zel¬ lenbasierten Hochtiefsetzstellers 44n einen weiteren Schal¬ ter 54n auf, der zwischen Drossel 52n und einem Verbindungs- punkt der beiden in Reihe geschalteten Schalter 46n und 48n angeordnet ist. Mittels dieses Schalters 54n kann eine feh¬ lerhafte kapazitive Speicherzelle 32n aus der Reihenschal¬ tung der kapazitiven Speicherzellen 32n, 32mn der Energiespeicheranordnung 8 derart entfernt werden, dass die Energie- speicheranordnung 8 mit einem veränderten Kapazitätswert weiter betrieben werden kann. Dazu wird der Schalter 54n, der während des normalen Betriebes geschlossen ist, geöffnet. Au¬ ßerdem werden die beiden Schalter 46n und 48n geschlossen, so dass die Ausgänge des zellenbasierten Hochtiefsetzstellers 44n kurzgeschlossen sind. Dadurch kann die Energiespeicheranordnung 8 redundant weiter betrieben werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Energiespei¬ cheranordnung 8 können fehlerhafte kapazitive Speicherzellen 32n, 32mn ausgetauscht werden, ohne dass sich dadurch an der verfügbaren Kapazität dieser Energiespeicheranordnung 8 was ändert. Außerdem kann mittels der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung 8 seine Kapazität und die Systemspannung unabhängig voneinander optimiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeicheranordnung (8) mit wenigstens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Speichermodulen (30i, 30m) , die jeweils eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten kapazitiven Speicherzellen (32i, 32n) aufweisen, und mit einer Batteriesteuereinrichtung (40), die signaltechnisch mit jeder kapazitiven Speicherzelle (32n, 32mn) verknüpft ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jede ka- pazitive Speicherzelle (32n, 32mn) mit einem Hochtiefsetz- steller (44n, 44mn) verschaltet ist und dass jeder Ausgang dieser Hochtiefsetzsteiler (44n, 44mn) mit der Batteriesteuereinrichtung (40) signaltechnisch verknüpft sind.
2. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder Hoch¬ tiefsetzsteiler (44n, 44mn) mit einer Trennvorrichtung versehen ist.
3. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder Hochtiefsetzsteiler (44n, 44mn) aus mehreren Teil-Hochtief- setzsteiler besteht, die elektrisch parallel geschaltet sind.
4. Energiespeicheranordnung (8) nach einer der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als abschaltbarer Halbleiterschalter (46,48) eines jeden Hochtiefsetzsteiler (44n, 44mn) jeweils ein MOSFET vorgesehen ist.
5. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Trennvor¬ richtung ein abschaltbarer Halbleiterschalter (54) vorgesehen ist .
6. Energiespeicheranordnung (8) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der abschalt¬ bare Halbleiterschalter (54) ein MOSFET ist.
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