WO2012038175A2 - Systeme zum laden eines energiespeichers und verfahren zum betrieb der ladesysteme - Google Patents

Systeme zum laden eines energiespeichers und verfahren zum betrieb der ladesysteme Download PDF

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Erik Weissenborn
Martin Kessler
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Definitions

  • the invention relates to systems for charging an energy store and method for operating the charging systems.
  • Wind turbines as well as in vehicles such as hybrid or electric vehicles, increasingly electronic systems are used that combine new energy storage technologies with electric drive technology.
  • an electric machine e.g. is designed as a rotating field machine, controlled by a converter in the form of an inverter.
  • Characteristic of such systems is a so-called DC voltage intermediate circuit, via which an energy store, usually a battery, is connected to the DC side of the inverter.
  • an energy store usually a battery
  • multiple battery cells are connected in series. Since the power provided by such an energy store must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current.
  • Wind turbines it may in unfavorable conditions, such as strong Wnd, even come to safety-threatening situations. Therefore, it is always high Reliability of the energy storage, where "reliability" is the ability of a system to work for a given time error-free.
  • the battery module strands in this case have a plurality of battery modules connected in series, each battery module having at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows depending on control signals to interrupt the respective battery module strand or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each assigned to switch at least one battery cell in the respective battery module string.
  • Pulse width modulation suitable phase signals for controlling the electrical machine can be provided, so that a separate
  • Pulse inverter can be dispensed with.
  • the required for controlling the electrical machine pulse inverter is so to speak integrated into the battery.
  • the present invention provides a system for loading at least one
  • controllable energy storage in a controllable energy storage, which serves the control and the electrical power supply of a single-phase electric machine.
  • controllable energy storage on an energy supply branch, which has at least two series-connected energy storage modules, each comprising at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit.
  • the power supply branch is on the one hand with a
  • Reference potential - hereinafter referred to as a reference rail - and on the other hand connectable to the phase of the electrical machine.
  • the coupling units either interrupt the energy supply branch or they bridge the respectively assigned energy storage cells or they switch the respectively assigned energy storage cells into the energy supply branch.
  • a positive pole of a charging device is electrically connected via at least one freewheeling diode with the phase of the electric machine and a negative pole of the charging device with the reference rail connectable.
  • the charging device can then provide a DC voltage for charging at least one energy storage cell available.
  • the present invention also provides a system for loading at least one
  • controllable energy storage on n parallel power supply branches each having at least two series-connected energy storage modules, each comprising at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit.
  • the power supply branches are on the one hand connected to a reference rail and on the other hand, each with a phase of the electric machine.
  • the coupling units either interrupt the respective energy supply branch or they bridge the respectively assigned energy storage cells or they switch each
  • a positive pole of a charging device can be connected to the reference rail via in each case at least one freewheeling diode having at least two phases of the electrical machine and a negative pole of the charging device.
  • the charging device can then provide a DC voltage for charging at least one energy storage cell available.
  • the invention also provides a method for operating a charging system for a single-phase electric machine according to the invention.
  • the phase of the electric machine via at least one freewheeling diode with the positive pole of the
  • Energy storage cells are assigned, controlled such that the respective associated energy storage cells are connected in the power supply branch. All other coupling units are controlled such that the respectively associated
  • the invention provides a method for operating a charging system according to the invention for an n-phase electric machine, with n> 2. At least two phases of the electric machine are in each case via at least one Freewheeling diode connected to the positive pole of the charging device and the reference rail to the negative pole of the charger. In a loading phase, all
  • Energy storage cells are assigned, controlled such that the associated
  • Energy storage cells are located, but are not assigned to be charged energy storage cells are controlled so that the respectively associated
  • the invention is based on the basic idea, the coupling units on the one hand and the
  • Stator windings are operated in a charging phase analogous to a boost converter, wherein the stator windings energy is supplied and stored there, which is then delivered in a freewheeling phase to the energy storage cells to be charged. This results in minimal additional hardware expense for the necessary free-wheeling diodes, which is associated with low cost and small footprint.
  • Energy storage cells of a single energy storage module as well as the simultaneous charging of energy storage cells of several energy storage modules possible.
  • the energy storage cells of energy storage modules which are located in different energy supply branches, can be charged simultaneously.
  • the task of the charging device is only to provide a suitable DC voltage for
  • the charging device can be realized in various ways. It can e.g. be configured as a network charger. It is also irrelevant to the applicability of the invention, whether the mains charger one or three-phase or whether it is designed galvanically isolated or connecting. If the charging device includes a DC-DC converter, this can be replaced by the additional matching stage, which operates via the step-up converter
  • Coupling units and stator windings is created on a fixed
  • Output voltage can be designed, which has an advantageous effect on its efficiency, space and cost.
  • the positive pole of the charging device via at least one
  • Free-wheeling diode with all phases of the electrical machine is connectable. In this way can be changed very quickly between the energized phases of the electric machine, whereby a uniform load can be achieved.
  • unwanted moments during the charging process can be avoided by mechanically blocking the electric machine during the charging process, e.g. with the help of a transmission pawl.
  • the rotor position of the electric machine can also be monitored, e.g. be switched off by means of a corresponding sensor, and in the case of a detected rotor movement.
  • an additional charging inductance can be connected between the charging device and the electric machine or between the charging device and the controllable energy store.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a charging system according to the invention ' a charging phase
  • Fig. 2 shows the charging system of FIG. 1 in a freewheeling phase.
  • FIGS. 1 and 2 show a schematic representation of a
  • the controllable energy store 2 comprises three power supply branches 3-1, 3-2 and 3-3, which on the one hand with a reference potential T- (reference rail), which in the illustrated
  • Embodiment leads a low potential, and on the other hand each with
  • Each of the power supply branches 3-1, 3-2 and 3-3 has m in series
  • the energy storage modules 4 in turn each comprise a plurality of series-connected electrical energy storage cells, which For reasons of
  • the energy storage modules 4 each comprise a coupling unit which blocks the energy storage cells 5 of the respective one
  • the coupling units 6 are each formed by two controllable switching elements 7-31 1 and 7-312 to 7-3m1 and 7-3m2.
  • the switching elements may be used as power semiconductor switches, e.g. in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect
  • the coupling units 6 make it possible to interrupt the respective power supply branch 3 by opening both switching elements 7 of a coupling unit 6.
  • the energy storage cells 5 can be bridged either by closing one of the switching elements 7 of a coupling unit 6, for example Close the switch 7-311 or be switched to the respective power supply branch 3, for example, closing the switch 7-312.
  • the total output voltages of the power supply branches 3-1 to 3-3 are determined by the respective switching state of the controllable
  • Switching elements 7 of the coupling units 6 can be adjusted in stages. The grading results depending on the voltage of the individual
  • Energy storage modules 4 If one starts from the preferred embodiment of similarly designed energy storage modules 4, the result is a maximum possible total output voltage from the voltage of a single one
  • Energy storage module 4 times the number m of per energy supply branch 3 in series energy storage modules. 4
  • the coupling units 6 thus allow the phases U, V, W of the electric machine 1 either against a high reference potential or a low
  • the power and operating mode of the electric machine 1 can be controlled by the controllable energy store 2 with suitable control of the coupling units 6.
  • Energy storage 2 thus fulfills a dual function insofar as it serves on the one hand the electrical power supply on the other hand, but also the control of the electric machine 1.
  • the electric machine 1 has stator windings 8-U, 8-V and 8-W, which are connected in a known manner in star connection with each other.
  • the electric machine 1 is designed in the illustrated embodiment as a three-phase three-phase machine, but may also have fewer or more than three phases.
  • the number of power supply branches 3 in the controllable depends on the number of phases of the electric machine
  • each energy storage module 4 each has a plurality of energy storage cells 5 connected in series.
  • Energy storage modules 4 may alternatively have only a single energy storage cell or parallel energy storage cells.
  • the coupling units 6 are each formed by two controllable switching elements 7. But the coupling units 6 can also be realized by more or less controllable switching elements, as long as the necessary functions (interrupting the power supply branch,
  • Energy supply cells in the power supply branch can be realized.
  • Exemplary alternative embodiments of a coupling unit result from the older applications DE XX and DE YY.
  • the coupling units have switching elements in full bridge circuit, which provides the additional possibility of a voltage reversal at the output of
  • the two phases U and V via a respective diode 9-U and 9-V are electrically connected to a positive pole of a charging device 10, which is shown in the form of an equivalent circuit diagram as a DC voltage source.
  • the charging device 10 provides a DC voltage suitable for charging the energy storage cells 5 and may be e.g. be configured as a mains charger (single or three-phase, galvanically isolated or connecting).
  • the negative pole of the charging device 10 is connected to the reference rail T-.
  • Energy storage cells 5-31 are controlled by a control unit, not shown in such a way that the respective associated energy storage cells are 5-31 to 5-3m bridged. This is concretely achieved by closing the switching elements 7-31 1 to 7-3m1, whereas the switching elements 7-312 to 7-3m2 are opened. All other coupling units 6, that is, all coupling units 6 in the
  • Energy storage modules 4 of the other two power supply branches 3-1 and 3-2 are controlled such that the respective power supply branches 3-1 and 3-2 are interrupted. Specifically, this is achieved by both
  • Stator windings 8 is stored.
  • the coupling unit 6-31 which is assigned to the energy storage cells 5-31 to be charged, is controlled in such a way that the assigned energy storage cells 5-31 enter the energy storage cells 5-31
  • Power supply branch 3-3 are switched. This is achieved concretely in that the switching element 7-312 is closed and the switching element 7-311 is opened. All other coupling units 6-32 to 6-3m, which lie in the power supply branch 3-3 of the energy storage cells 5-31 to be charged, but which are not assigned to any energy storage cells 5 to be charged, are controlled in such a way that the respectively assigned energy storage cells 5-32 to 5-3m (closing of switching elements 7-321 to 7-3m1 and opening of switching elements 7-322 to 7-3m2). The coupling units 6-1 1 to 6-1 m and 6-21 to 6-2m in the rest
  • Power supply branches 3-1 and 3-2 are further controlled so that the respective power supply branches 3-1 and 3-2 are interrupted.
  • Such a control of the coupling units 6 causes an electrical connection of the stator windings 8 with the energy storage cells 5-31 to be charged.
  • the inductance of the stator windings 8 drives the current on and charges in this way the
  • an additional external charging inductance can be used, which is connected between the charging device 10 and the electric machine 1 or between the charging device 10 and the controllable energy storage 2.
  • a uniform loading of the phases of the electric machine 1 is desirable. Therefore, it is also advantageous to connect the third phase W via a further, not shown freewheeling diode with the positive pole of the charging device 10. In this way, can be changed very quickly between the energized phases of the electric machine 1, whereby a uniform load can be achieved.
  • undesirable moments during the charging process can be avoided by mechanically blocking the electric machine 1 during the charging process, for example by means of a transmission pawl.
  • the rotor position of the electric machine 1 can be monitored, for example by means of a corresponding sensor, and be switched off in the case of a detected rotor movement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Laden mindestens einer Energiespeicherzelle (5) in einem steuerbaren Energiespeicher (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1) dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) auf, welchejeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen. Die Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) sindeinerseits mit einer Bezugsschiene (T-) und andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbunden. In Abhängigkeit von Steuersignalen unterbrechen die Koppeleinheiten (6) den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1, 3-2; 3-3) oder sie überbrücken die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1, 3-2; 3-3). Um ein Laden mindestens einer Energiespeicherzelle (5) zu ermöglichen, sind mindestens zwei Phasen (U, V) der elektrischen Maschine (1) über jeweils mindestens eine Freilaufdiode (9-U, 9-V) mit einem Pluspol einer Ladeeinrichtung (10) unddie Bezugsschiene(T-) mit einem Minuspol der Ladeeinrichtung (10)verbindbar.

Description

Beschreibung Titel
Systeme zum Laden eines Energiespeichers und Verfahren zum Betrieb der
Ladesysteme
Die Erfindung betrifft Systeme zum Laden eines Energiespeichers und Verfahren zum Betrieb der Ladesysteme.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B.
Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. In herkömmlichen Anwendungen wird eine elektrische Maschine, welche z.B. als Drehfeldmaschine ausgeführt ist, über einen Umrichter in Form eines Wechselrichters gesteuert. Kennzeichnend für derartige Systeme ist ein sogenannter Gleichspannungszwischenkreis, über welchen ein Energiespeicher, in der Regel eine Batterie, an die Gleichspannungsseite des Wechselrichters angeschlossen ist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Energiespeicher bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriezellen bringt neben einer hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass der gesamte Energiespeicher ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil dann kein Batteriestrom mehr fließen kann. Ein solcher Ausfall des Energiespeichers kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Fahrzeug kann ein Ausfall der Antriebsbatterie zum "Liegenbleiben" des Fahrzeugs führen. Bei anderen Anwendungen, wie z.B. der Rotorblattverstellung von
Windkraftanlagen, kann es bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z.B. starkem Wnd, sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist stets eine hohe Zuverlässigkeit des Energiespeichers anzustreben, wobei mit "Zuverlässigkeit" die Fähigkeit eines Systems bezeichnet wird, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten.
In den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027857 und DE 10 2010 027861 sind Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische
Maschine anschließbar sind. Die Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von
Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten
Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der elektrischen Maschine erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Batterie integriert. Zum Zwecke der Offenbarung werden diese beiden älteren Anmeldungen vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein System zum Laden mindestens einer
Energiespeicherzelle in einem steuerbaren Energiespeicher, welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer einphasigen elektrischen Maschine dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher einen Energieversorgungszweig auf, welcher mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. Der Energieversorgungszweig ist einerseits mit einem
Bezugspotential - im Folgenden als Bezugsschiene bezeichnet - und andererseits mit der Phase der elektrischen Maschine verbindbar. In Abhängigkeit von Steuersignalen unterbrechen die Koppeleinheiten entweder den Energieversorgungszweig oder sie überbrücken die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig. Um das Laden von zumindest einer der Energiespeicherzellen zu ermöglichen, ist ein Pluspol einer Ladeeinrichtung elektrisch über mindestens eine Freilaufdiode mit der Phase der elektrischen Maschine und ein Minuspol der Ladeeinrichtung mit der Bezugsschiene verbindbar. Die Ladeeinrichtung kann dann eine Gleichspannung zur Ladung mindestens einer Energiespeicherzelle zur Verfügung stellen.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein System zum Laden mindestens einer
Energiespeicherzelle in einem steuerbaren Energiespeicher, welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n > 2, dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher n parallele Energieversorgungszweige auf, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. Die Energieversorgungszweige sind einerseits mit einer Bezugsschiene und andererseits mit jeweils einer Phase der elektrischen Maschine verbindbar. In Abhängigkeit von Steuersignalen unterbrechen die Koppeleinheiten entweder den jeweiligen Energieversorgungszweig oder sie überbrücken die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils
zugeordneten Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energieversorgungszweig. Um das Laden von zumindest einer der Energiespeicherzellen zu ermöglichen, ist ein Pluspol einer Ladeeinrichtung über jeweils mindestens eine Freilaufdiode mit mindestens zwei Phasen der elektrischen Maschine und ein Minuspol der Ladeeinrichtung mit der Bezugsschiene verbindbar. Die Ladeeinrichtung kann dann eine Gleichspannung zur Ladung mindestens einer Energiespeicherzelle zur Verfügung stellen.
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Ladesystems für eine einphasige elektrische Maschine. Dabei wird die Phase der elektrischen Maschine über mindestens eine Freilaufdiode mit dem Pluspol der
Ladeeinrichtung und die Bezugsschiene mit dem Minuspol der Ladeeinrichtung verbunden. In einer Ladephase werden alle Koppeleinheiten derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen überbrückt werden. In einer der Ladephase folgenden Freilaufphase werden dann alle Koppeleinheiten, welche zu ladenden
Energiespeicherzellen zugeordnet sind, derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig geschaltet werden. Alle übrigen Koppeleinheiten werden derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten
Energiespeicherzellen überbrückt werden.
Die Erfindung schafft schließlich ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Ladesystems für eine n-phasige elektrische Maschine, mit n > 2. Dabei werden mindestens zwei Phasen der elektrischen Maschine über jeweils mindestens eine Freilaufdiode mit dem Pluspol der Ladeeinrichtung und die Bezugsschiene mit dem Minuspol der Ladeeinrichtung verbunden. In einer Ladephase werden alle
Koppeleinheiten derjenigen Energiespeichermodule, welche in einem
Energieversorgungszweig von zu ladenden Energiespeicherzellen liegen, derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen überbrückt werden. Alle übrigen Koppeleinheiten werden derart gesteuert, dass die jeweiligen
Energieversorgungszweige unterbrochen werden. In einer der Ladephase folgenden Freilaufphase werden dann alle Koppeleinheiten, welche zu ladenden
Energiespeicherzellen zugeordnet sind, derart gesteuert, dass die zugeordneten
Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energieversorgungszweig geschaltet werden. Alle Koppeleinheiten, welche in dem Energieversorgungszweig von zu ladenden
Energiespeicherzellen liegen, selbst aber keinen zu ladenden Energiespeicherzellen zugeordnet sind, werden derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten
Energiespeicherzellen überbrückt werden, und alle übrigen Koppeleinheiten werden derart gesteuert, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige unterbrochen werden.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, die Koppeleinheiten einerseits und die
Statorwicklungen der elektrischen Maschine andererseits für eine Ladefunktion mitzunutzen. Dies wird dadurch realisiert, dass die Koppeleinheiten und die
Statorwicklungen in einer Ladephase analog zu einem Hochsetzsteller betrieben werden, wobei den Statorwicklungen Energie zugeführt und dort gespeichert wird, welche anschließend in einer Freilaufphase an die zu ladenden Energiespeicherzellen abgegeben wird. Dabei entsteht nur minimaler zusätzlicher Hardware-Aufwand für die notwendigen Freilaufdioden, was mit geringen Kosten und geringem Platzbedarf einhergeht.
Mit den erfindungsgemäßen Systemen und Verfahren ist sowohl die Ladung von
Energiespeicherzellen eines einzelnen Energiespeichermoduls als auch die gleichzeitige Ladung von Energiespeicherzellen mehrerer Energiespeichermodule möglich. Im Fall einer mehrphasigen elektrischen Maschine können auch die Energiespeicherzellen von Energiespeichermodulen, welche in verschiedenen Energieversorgungszweigen liegen, gleichzeitig geladen werden. Aufgabe der Ladeeinrichtung ist es lediglich, eine geeignete Gleichspannung zur
Verfügung zu stellen. Insofern kann die Ladeeinrichtung auf verschiedenen Wegen realisiert sein. Sie kann z.B. als Netzladegerät ausgestaltet sein. Dabei ist es für die Anwendbarkeit der Erfindung auch unerheblich, ob das Netzladegerät ein- oder dreiphasig oder ob es galvanisch getrennt oder verbindend ausgestaltet ist. Umfasst die Ladeeinrichtung einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) kann dieser aufgrund der zusätzlichen Anpassstufe, welche über die als Hochsetzsteller betriebenen
Koppeleinheiten und Statorwicklungen geschaffen wird, auf eine feste
Ausgangsspannung ausgelegt werden, was sich vorteilhaft auf dessen Wirkungsgrad, Bauraum und Kosten auswirkt.
Um die Erzeugung unerwünschter Momente in der elektrischen Maschine während des Ladebetriebs zu vermeiden, ist eine gleichmäßige Belastung der Phasen der elektrischen Maschine anzustreben. Daher ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Pluspol der Ladeeinrichtung über jeweils mindestens eine
Freilaufdiode mit allen Phasen der elektrischen Maschine verbindbar ist. Auf diese Weise kann sehr schnell zwischen den bestromten Phasen der elektrischen Maschine gewechselt werden, wodurch eine gleichmäßige Belastung erreicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich können unerwünschte Momente während des Ladevorgangs dadurch vermieden werden, dass die elektrische Maschine während des Ladevorgangs mechanisch blockiert wird, z.B. mit Hilfe einer Getriebesperrklinke. Alternativ kann auch die Rotorlage der elektrischen Maschine überwacht werden, z.B. mit Hilfe einer entsprechenden Sensorik, und im Falle einer detektierten Rotorbewegung abgeschaltet werden.
Sind die Induktivitäten der Statorwicklungen der elektrischen Maschine nicht ausreichend, so kann zwischen die Ladeeinrichtung und die elektrische Maschine oder zwischen die Ladeeinrichtung und den steuerbaren Energiespeicher eine zusätzliche Ladeinduktivität geschaltet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems ' einer Ladephase und
Fig. 2 das Ladesystem gemäß Fig. 1 in einer Freilaufphase.
Ausführungsformen der Erfindung Die Figuren 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Ladesystems. An eine dreiphasige elektrische Maschine 1 ist ein steuerbarer Energiespeicher 2 angeschlossen. Der steuerbare Energiespeicher 2 umfasst drei Energieversorgungszweige 3-1 , 3-2 und 3-3, welche einerseits mit einem Bezugspotential T- (Bezugsschiene), welches in der dargestellten
Ausführungsform ein niedriges Potential führt, und andererseits jeweils mit
einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind. Jeder der Energieversorgungszweige 3-1 , 3-2 und 3-3 weist m in Reihe geschaltete
Energiespeichermodule 4-1 1 bis 4-1 m bzw. 4-21 bis 4-2m bzw. 4-31 bis 4-3m auf, wobei m > 2. Die Energiespeichermodule 4 wiederum umfassen jeweils mehrere in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherzellen, welche aus Gründen der
Übersichtlichkeit lediglich in dem mit der Phase W der elektrischen Maschine 1 verbundenen Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 5-31 bis 5-3m versehen sind. Die Energiespeichermodule 4 umfassen des Weiteren jeweils eine Koppeleinheit, welche den Energiespeicherzellen 5 des jeweiligen
Energiespeichermoduls 4 zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind auch die Koppeleinheiten lediglich in dem Energieversorgungszweig 3-3 mit
Bezugszeichen 6-31 bis 6-3m versehen. In der dargestellten Ausführungsvariante werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch zwei steuerbare Schaltelemente 7-31 1 und 7-312 bis 7-3m1 und 7-3m2 gebildet. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z.B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar
Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect
Transistors), ausgeführt sein.
Die Koppeleinheiten 6 ermöglichen es, den jeweiligen Energieversorgungszweig 3, durch Öffnen beider Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 zu unterbrechen.
Alternativ können die Energiespeicherzellen 5 durch Schließen jeweils eines der Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 entweder überbrückt werden, z.B. Schließen des Schalters 7-311 oder in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden, z.B. Schließen des Schalters 7-312.
Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige 3-1 bis 3-3 werden bestimmt durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren
Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 und können stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Spannung der einzelnen
Energiespeichermodule 4. Geht man von der bevorzugten Ausführungsform gleichartig ausgestalteter Energiespeichermodule 4 aus, so ergibt sich eine maximal mögliche Gesamt-Ausgangsspannung aus der Spannung eines einzelnen
Energiespeichermoduls 4 mal der Anzahl m der pro Energieversorgungszweig 3 in Reihe geschalteten Energiespeichermodule 4.
Die Koppeleinheiten 6 erlauben es damit, die Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges
Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinheiten 6 durch den steuerbaren Energiespeicher 2 gesteuert werden. Der steuerbare
Energiespeicher 2 erfüllt also insofern eine Doppelfunktion, da er einerseits der elektrischen Energieversorgung andererseits aber auch der Steuerung der elektrischen Maschine 1 dient.
Die elektrische Maschine 1 weist Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W auf, die in bekannter Weise in Sternschaltung miteinander verschaltet sind.
Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als dreiphasige Drehstrommaschine ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Nach der Phasenanzahl der elektrischen Maschine richtet sich natürlich auch die Anzahl der Energieversorgungszweige 3 in dem steuerbaren
Energiespeicher 2.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jedes Energiespeichermodul 4 jeweils mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5 auf. Die
Energiespeichermodule 4 können aber alternativ auch jeweils nur eine einzige Energiespeicherzelle oder auch parallel geschaltete Energiespeicherzellen aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch zwei steuerbare Schaltelemente 7 gebildet. Die Koppeleinheiten 6 können aber auch durch mehr oder weniger steuerbare Schaltelemente realisiert sein, solange die notwendigen Funktionen (Unterbrechen des Energieversorgungszweiges,
Überbrücken der Energieversorgungszellen und Schalten der
Energieversorgungszellen in den Energieversorgungszweig) realisierbar sind.
Beispielhafte alternative Ausgestaltungen einer Koppeleinheit ergeben sich aus den älteren Anmeldungen DE XX und DE YY. Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, dass die Koppeleinheiten Schaltelemente in Vollbrückenschaltung aufweisen, was die zusätzliche Möglichkeit einer Spannungsumkehr am Ausgang des
Energiespeichermoduls bietet.
Um die Ladung von Energiespeicherzellen 5 eines oder mehrerer
Energiespeichermodule 4 zu ermöglichen, werden die beiden Phasen U und V über jeweils eine Diode 9-U bzw. 9-V elektrisch mit einem Pluspol einer Ladeeinrichtung 10, welche in Form eines Ersatzschaltbildes als Gleichspannungsquelle dargestellt ist, verbunden. Die Ladeeinrichtung 10 stellt eine zum Laden der Energiespeicherzellen 5 geeignete Gleichspannung zur Verfügung und kann z.B. als Netzladegerät (ein- oder dreiphasig, galvanisch getrennt oder verbindend) ausgestaltet sein. Der Minuspol der Ladeeinrichtung 10 wird mit der Bezugsschiene T- verbunden.
Im Folgenden wird exemplarisch der Ladevorgang der Energiespeicherzellen 5 eines einzelnen Energiespeichermoduls 4, nämlich der Energiespeicherzellen 5-31 des
Energiespeichermoduls 4-31 in dem Energieversorgungszweig 3-3 beschrieben.
Während einer Ladephase, welche in Fig. 1 dargestellt ist, werden die Koppeleinheiten 6- 31 bis 6-3m der Energiespeichermodule 4-31 bis 4-3m, welche in dem
Energieversorgungszweig 3-3 liegen, in welchem auch die zu ladenden
Energiespeicherzellen 5-31 liegen, durch eine nicht dargestellte Steuereinheit derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen 5-31 bis 5-3m überbrückt werden. Dies wird konkret dadurch erreicht, dass die Schaltelemente 7-31 1 bis 7-3m1 geschlossen werden, wohingegen die Schaltelemente 7-312 bis 7-3m2 geöffnet werden. Alle übrigen Koppeleinheiten 6, das heißt alle Koppeleinheiten 6 in den
Energiespeichermodulen 4 der anderen beiden Energieversorgungszweige 3-1 und 3-2 werden derart gesteuert, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige 3-1 bzw. 3-2 unterbrochen werden. Konkret wird dies dadurch erreicht, dass jeweils beide
Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 geöffnet werden. Eine derartige Ansteuerung der Koppeleinheiten 6 bewirkt einen Stromfluss durch die Statorwicklungen 8, so dass während der Ladephase elektrische Energie in den
Statorwicklungen 8 gespeichert wird.
In einer der Ladephase folgenden Freilaufphase, welche in Fig. 2 dargestellt ist, wird die Koppeleinheit 6-31 , welche den zu ladenden Energiespeicherzellen 5-31 zugeordnet ist, derart gesteuert, dass die zugeordneten Energiespeicherzellen 5-31 in den
Energieversorgungszweig 3-3 geschaltet werden. Dies wird konkret dadurch erreicht, dass das Schaltelement 7-312 geschlossen und das Schaltelement 7-311 geöffnet wird. Alle übrigen Koppeleinheiten 6-32 bis 6-3m, welche in dem Energieversorgungszweig 3-3 der zu ladenden Energiespeicherzellen 5-31 liegen, die selbst aber keinen zu ladenden Energiespeicherzellen 5 zugeordnet sind, werden derart gesteuert, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen 5-32 bis 5-3m überbrückt werden (Schließen der Schaltelemente 7-321 bis 7-3m1 und Öffnen der Schaltelemente 7-322 bis 7-3m2). Die Koppeleinheiten 6-1 1 bis 6-1 m und 6-21 bis 6-2m in den übrigen
Energieversorgungszweigen 3-1 und 3-2 werden weiterhin derart gesteuert, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige 3-1 und 3-2 unterbrochen werden. Eine derartige Steuerung der Koppeleinheiten 6 bewirkt eine elektrische Verbindung der Statorwicklungen 8 mit den zu ladenden Energiespeicherzellen 5-31. Die Induktivität der Statorwicklungen 8 treibt dabei den Strom weiter und lädt auf diese Weise die
Energiespeicherzellen 5-31 auf. Reichen die Motorinduktivitäten nicht aus, kann eine zusätzliche externe Ladeinduktivität eingesetzt werden, welche zwischen die Ladeeinrichtung 10 und die elektrische Maschine 1 oder zwischen die Ladeeinrichtung 10 und den steuerbaren Energiespeicher 2 geschaltet wird. Um die Erzeugung unerwünschter Momente in der elektrischen Maschine während des Ladebetriebs zu vermeiden, ist eine gleichmäßige Belastung der Phasen der elektrischen Maschine 1 anzustreben. Daher ist es vorteilhaft auch die dritte Phase W über eine weitere nicht dargestellte Freilaufdiode mit dem Pluspol der Ladeeinrichtung 10 zu verbinden. Auf diese Weise kann sehr schnell zwischen den bestromten Phasen der elektrischen Maschine 1 gewechselt werden, wodurch eine gleichmäßige Belastung erreicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich können unerwünschte Momente während des Ladevorgangs dadurch vermieden werden, dass die elektrische Maschine 1 während des Ladevorgangs mechanisch blockiert wird, z.B. mit Hilfe einer Getriebesperrklinke. Alternativ kann auch die Rotorlage der elektrischen Maschine 1 überwacht werden, z.B. mit Hilfe einer entsprechenden Sensorik, und im Falle einer detektierten Rotorbewegung abgeschaltet werden.

Claims

Ansprüche 1. System zum Laden mindestens einer Energiespeicherzelle (5) in einem steuerbaren Energiespeicher (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer einphasigen elektrischen Maschine (1) dient, wobei
- der steuerbare Energiespeicher (2) einen Energieversorgungszweig (3) aufweist, welcher
■ mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen,
■ einerseits mit einer Bezugsschiene (T-) verbindbar ist und
■ andererseits mit der Phase (U) der elektrischen Maschine (1) verbindbar ist, - die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von Steuersignalen den
Energieversorgungszweig (3) unterbrechen oder die jeweils zugeordneten
Energiespeicherzellen (5) überbrücken oder die jeweils zugeordneten
Energiespeicherzellen (5) in den Energieversorgungszweig (3) schalten,
- ein Pluspol einer Ladeeinrichtung (10), welche eine Gleichspannung zur Ladung
mindestens einer Energiespeicherzelle (5) zur Verfügung stellt, über mindestens eine Freilaufdiode (9-U) mit der Phase (U) der elektrischen Maschine (1) verbindbar ist, und
- ein Minuspol der Ladeeinrichtung (10) mit der Bezugsschiene (T-) verbindbar ist.
2. System zum Laden mindestens einer Energiespeicherzelle (5) in einem steuerbaren
Energiespeicher (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n > 2, dient, wobei
- der steuerbare Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1 , 3-2, 3- 3) aufweist, welche
■ jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen,
■ einerseits mit einer Bezugsschiene (T-) verbindbar sind und
■ andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind, - die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen
Energieversorgungszweig (3-1 , 3-2; 3-3) unterbrechen oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrücken oder die jeweils zugeordneten
Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1 , 3-2; 3-3) schalten,
- ein Pluspol einer Ladeeinrichtung (10), welche eine Gleichspannung zur Ladung
mindestens einer Energiespeicherzelle (5) zur Verfügung stellt, über jeweils mindestens eine Freilaufdiode (9-U, 9-V) mit mindestens zwei Phasen (U, V) der elektrischen Maschine (1) verbindbar ist und
- ein Minuspol der Ladeeinrichtung (10) mit der Bezugsschiene (T-) verbindbar ist.
3. System nach Anspruch 2, wobei der Pluspol der Ladeeinrichtung (10) über jeweils mindestens eine Freilaufdiode (9) mit allen Phasen (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen die Ladeeinrichtung (10) und die elektrische Maschine (1) oder zwischen die Ladeeinrichtung (10) und den steuerbaren Energiespeicher (2) eine zusätzliche Ladeinduktivität schaltbar ist.
5. Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems gemäß einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei
- die Phase der einphasigen elektrischen Maschine (1) über mindestens eine
Freilaufdiode (9) mit dem Pluspol der Ladeeinrichtung (10) und die Bezugsschiene (T- ) mit dem Minuspol der Ladeeinrichtung (10) verbunden werden,
- in einer Ladephase
■ alle Koppeleinheiten (6) derart gesteuert werden, dass die jeweils
zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrückt werden, und
- in einer der Ladephase folgenden Freilaufphase
■ alle Koppeleinheiten (6-31), welche zu ladenden Energiespeicherzellen (5- 31) zugeordnet sind, derart gesteuert werden, dass die jeweils zugeordneten
Energiespeicherzellen (5-31) in den Energieversorgungszweig (3-3) geschaltet werden, und
■ alle übrigen Koppeleinheiten (6) derart gesteuert werden, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrückt werden.
6. Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei mindestens zwei Phasen (U, V) der n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n > 2, über jeweils mindestens eine Freilaufdiode (9-U, 9-V) mit dem Pluspol der
Ladeeinrichtung (10) und die Bezugsschiene (T-) mit dem Minuspol der
Ladeeinrichtung (10) verbunden werden,
in einer Ladephase
■ alle Koppeleinheiten (6-31 bis 6-3m) derjenigen Energiespeichermodule (4- 31 bis 4-3m), welche in einem Energieversorgungszweig (3-3) von zu ladenden Energiespeicherzellen (5-31) liegen, derart gesteuert werden, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5-31 bis 5-3m) überbrückt werden, und
■ alle übrigen Koppeleinheiten (6) derart gesteuert werden, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige (3-1 , 3-2) unterbrochen werden, und
in einer der Ladephase folgenden Freilaufphase
■ alle Koppeleinheiten (6-31), welche zu ladenden Energiespeicherzellen (5- 31) zugeordnet sind, derart gesteuert werden, dass die zugeordneten Energiespeicherzellen (5-31) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3- 3) geschaltet werden,
■ alle Koppeleinheiten (6-32 bis 6-3m), welche in dem
Energieversorgungszweig (3-3) von zu ladenden Energiespeicherzellen (5- 31) liegen, selbst aber keinen zu ladenden Energiespeicherzellen (5) zugeordnet sind, derart gesteuert werden, dass die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5-32 bis 5-3m) überbrückt werden, und
■ alle übrigen Koppeleinheiten (6) derart gesteuert werden, dass die jeweiligen Energieversorgungszweige (3-1 , 3-2) unterbrochen werden.
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