WO2012038182A2 - System zum laden eines energiespeichers und verfahren zum betrieb des ladesystems - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a system for charging an energy store and a method for operating the charging system.
  • 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. strong Wnd, even come to safety-threatening situations. Therefore, it is always high
  • batteries are described with several battery module strings, which are directly connected to an electrical machine.
  • 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.
  • suitable control of the coupling units for example by means of
  • 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.
  • Energy storage n parallel power supply branches which each have at least two series-connected energy storage modules, each comprising at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit.
  • the coupling units either bridge the respectively assigned energy storage cells or they switch the respective ones
  • Energy storage modules will be one, a current state of charge of each
  • the present invention also provides a system for controlling and supplying electrical power to an n-phase electric machine, where n> 1.
  • the system comprises a controllable energy store which is n parallel Has energy supply branches, which in each case at least two in series
  • 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.
  • Control signals bridge the coupling units either the respectively associated energy storage cells or they switch the respectively associated energy storage cells in the power supply branch.
  • the system also points
  • Charge state monitoring units which determine a, a current state of charge of the respective energy storage cell characterizing size for all energy storage modules.
  • a control unit then controls the coupling units as a function of a predetermined desired output voltage for the respective power supply branch and of the respectively current state of charge of the energy storage cells.
  • a uniform load of the energy storage modules or energy storage cells can be achieved, for example, that for the output of voltages below a maximum output voltage of a power supply branch at the provision of voltage participating energy storage modules or
  • an embodiment of the invention provides that the coupling units of a power supply branch depending on the respective current
  • Power supply branch are controlled when a current predetermined target output voltage of the power supply branch through k energy storage cells, with k ⁇ m, can be provided in the power supply branch.
  • those k energy storage cells by appropriate control of
  • Coupling units are switched in the power supply branch, which currently have the lowest charge. In this way, first those energy storage cells are always discharged, which currently have the largest charge and those energy storage cells loaded, which currently have the lowest charge. The state of charge of all
  • Power supply branch can be used without affecting the capacity utilization of more readable energy storage modules. That means that
  • Energy storage module with the lowest storage capacity no longer determines the performance of the entire power supply branch.
  • defective energy storage modules are no longer used to provide an output voltage and thus limit the basic functionality of the controllable
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electrical machine with a controllable power supply
  • Fig. 2 is a graphical representation of the adjustable output voltages of a
  • a controllable energy storage 2 is connected ( Figure 1).
  • the controllable energy storage 2 comprises three
  • Power supply branches 3-1, 3-2 and 3-3 which on the one hand with a
  • Embodiment leads an envious potential, and on the other hand with each
  • 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 the sake of clarity, only in the power supply branch 3-3 connected to the phase W of the electric machine 1 are provided with reference numerals 5-31 to 5-3m.
  • 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
  • Transistors to be executed.
  • the switching elements 7 and thus the coupling units 6 are controlled by a schematically illustrated control unit 8.
  • 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
  • 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 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 (bridging the energy storage cells and switching the energy storage 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. In addition, it is also conceivable that the coupling units have switching elements in full bridge circuit, which provides the additional possibility of a voltage reversal at the output of
  • Energy storage module offers. With the help of the coupling units 6, the energy storage cells 5 of the individual energy storage modules 4 can be switched either into the respective power supply branch 3 and thus additively to the output voltage of the corresponding
  • Power supply branches 3-1 to 3-3 are thus determined by the respective switching state of the controllable switching elements 7 of the coupling units 6 and can be set in stages.
  • the grading depends on the
  • Such a stage-adjustable output voltage of a power supply branch is shown schematically in Figure 2.
  • an energy supply branch 3 of the controllable energy store 2 feeds an output current into the associated phase U, V, W of the electric machine 1, only those energy storage cells 5 which are currently connected to the respective energy supply branch 3 are discharged. Is from the electric machine 1, a current in a power supply branch 3 of the controllable
  • Power supply branch 3 are connected and thus involved in the provision of the current output voltage of the corresponding power supply branch 3.
  • FIG. 1 shows by way of example such a state of charge monitoring unit 9 in the form of a voltage sensor system for the
  • Coupling units 6 are controlled by the control unit 8 such that the
  • Energy storage cells 5 are connected in the respective power supply branch 3.
  • Energy storage cells 5 having a lower charge are controlled in accordance with the control unit 8 such that the energy storage cells 5 are bridged. In this way, whenever possible, weakly charged energy storage cells 5 are spared.
  • Power supply branch 3 is fed back and absorbed by this, those k energy storage cells 5 are involved in the provision of the output voltage, which currently have the lowest charge. This is done concretely in that the determined charge states are evaluated by the control unit 8 and the k energy storage cells 5 with the lowest charge respectively associated coupling units 6 are controlled by the control unit 8 such that the
  • Energy storage cells 5 are connected in the respective power supply branch 3.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren Energiespeichers (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, dient. Dabei weist 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-) und andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbunden sind. In Abhängigkeit von Steuersignalen überbrücken die Koppeleinheiten (6) die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1, 3-2; 3-3). Für alle Energiespeichermodule (4) wird eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) charakterisierende Größe ermittelt und die Koppeleinheiten (6) werden in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) gesteuert.

Description

Beschreibung Titel
System zum Laden eines Energiespeichers und Verfahren zum Betrieb des Ladesystems
Die Erfindung betrifft ein System zum Laden eines Energiespeichers und ein Verfahren zum Betrieb des Ladesystems.
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 Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren
Energiespeichers, welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n > 1 , 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. In Abhängigkeit von Steuersignalen überbrücken die Koppeleinheiten entweder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils
zugeordneten Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig. Für alle
Energiespeichermodule wird eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen
Energiespeicherzellen charakterisierende Größe ermittelt und die Koppeleinheiten werden in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der
Energiespeicherzellen gesteuert. Die vorliegende Erfindung schafft auch ein System zur Steuerung und zur elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n > 1. Das System umfasst dabei einen steuerbaren Energiespeicher, welcher n parallele Energieversorgungszweige aufweist, welche jeweils mindestens zwei in Reihe
geschaltete Energiespeichermodule aufweist, 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 überbrücken die Koppeleinheiten entweder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig. Das System weist außerdem
Ladezustandsüberwachungseinheiten auf, welche für alle Energiespeichermodule eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen charakterisierende Größe ermitteln. Ein Steuergerät steuert dann die Koppeleinheiten in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen. Vorteile der Erfindung
Steuert man eine elektrische Maschine mit einem derartigen steuerbaren Energiespeicher an, so kann durch Überbrücken und Zuschalten der einzelnen Energiespeicherzellen eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung nachgebildet werden. Werden jedoch keine weiteren Vorsorgemaßnahmen getroffen, so werden die einzelnen
Energiespeichermodule und damit auch die Energiespeicherzellen nicht mit gleicher Häufigkeit genutzt und damit ungleichmäßig belastet. Dies führt aber zu der in der Regel unerwünschten Situation unterschiedlicher Ladezustände in den einzelnen
Energiespeichermodulen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System ermöglichen es, bei der Steuerung der Koppeleinheiten auf den aktuellen Ladezustand der
Energiespeicherzellen Rücksicht zu nehmen und wann immer möglich, einem
Auseinanderlaufen der Ladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen entgegen zu wirken. Es wird damit die Möglichkeit einer gleichmäßigen Lastverteilung - häufig auch als Balancing bezeichnet - ohne jeglichen zusätzlichen Energie- oder Schaltungsaufwand geschaffen.
Eine gleichmäßige Belastung der Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zur Ausgabe von Spannungen unterhalb einer maximalen Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweiges die an der Bereitstellung der Spannung beteiligten Energiespeichermodule bzw.
Energiespeicherzellen gewechselt werden.
Demgemäß sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Koppeleinheiten eines Energieversorgungszweiges in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen
Ladezustand der Energiespeicherzellen in dem entsprechenden
Energieversorgungszweig gesteuert werden, wenn eine aktuell vorgegebene Soll- Ausgangsspannung des Energieversorgungszweiges durch k Energiespeicherzellen, mit k < m, in dem Energieversorgungszweig bereit gestellt werden kann.
So können z.B. für den Fall, dass durch den Energieversorgungszweig Strom abgegeben wird, diejenigen k Energiespeicherzellen durch entsprechende Steuerung der
zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungszweig geschaltet werden, welche aktuelle die größte Ladung aufweisen. Umgekehrt können für den Fall, dass von dem Energieversorgungszweig Strom aufgenommen wird, diejenigen k
Energiespeicherzellen durch entsprechende Steuerung der zugeordneten
Koppeleinheiten in den Energieversorgungszweig geschaltet werden, welche aktuelle die geringste Ladung aufweisen. Auf diese Weise werden zunächst immer diejenigen Energiespeicherzellen entladen, welche aktuell die größte Ladung aufweisen und diejenigen Energiespeicherzellen geladen, welche aktuell die niedrigste Ladung aufweisen. Der Ladezustand aller
Energiespeicherzellen gleicht sich damit automatisch an. Es können auch
Energiespeichermodule mit leicht unterschiedlicher Speicherkapazität in einem
Energieversorgungszweig verwendet werden, ohne dass die Kapazitäts-Ausnutzung der lesitungsfähigeren Energiespeichermodule beeinträchtigt wird. Das heißt das
Energiespeichermodul mit der geringsten Speicherkapazität bestimmt nicht mehr die Leistung des gesamten Energieversorgungszweiges. Darüber hinaus werden defekte Energiespeichermodule für die Bereitstellung einer Ausgangsspannung automatisch nicht mehr verwendet und schränken damit die Grundfunktionalität des steuerbaren
Energiespeichers nicht ein.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer steuerbaren Energieversorgung und
Fig. 2 eine grafische Darstellung der einstellbaren Ausgangsspannungen eines
Energieversorgungszweiges. Ausführungsformen der Erfindung
An eine dreiphasige elektrische Maschine 1 ist ein steuerbarer Energiespeicher 2 angeschlossen (Figur 1). Der steuerbare Energiespeicher 2 umfasst drei
Energieversorgungszweige 3-1 , 3-2 und 3-3, welche einerseits mit einem
Bezugspotential T- (Bezugsschiene), welches in der dargesetellten
Ausführungsform ein neidriges 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. Gesteuert werden die Schaltelemente 7 und damit die Koppeleinheiten 6 durch ein schematisch dargestelltes Steuergerät 8.
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 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 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 (Überbrücken der Energiespeicherzellen und Schalten der Energiespeicherzellen 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. Mit Hilfe der Koppeleinheiten 6 können die Energiespeicherzellen 5 der einzelnen Energiespeichermodule 4 entweder in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet und damit additiv an der Ausgangsspannung des entsprechenden
Energieversorgungszweiges 3 beteiligt werden oder überbrückt werden, so dass die betreffenden Energiespeicherzellen 5 nicht an der Bereitstellung der
Ausgangssspannung beteiligt sind. Die Gesamt-Ausgangsspannungen der
Energieversorgungszweige 3-1 bis 3-3 werden damit 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 U_aus aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls 4 mal der Anzahl m der pro
Energieversorgungszweig in Reihe geschalteten Energiespeichermodule 4. Eine derartige stufig-einstellbare Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweiges ist in Figur 2 schematisch dargestellt.
Speist ein Energieversorgungszweig 3 des steuerbaren Energiespeichers 2 einen Ausgangsstrom in die zugehörige Phase U, V, W der elektrischen Maschine 1 ein, so werden nur diejenigen Energiespeicherzellen 5 entladen, welche aktuell in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet sind. Wird von der elektrischen Maschine 1 ein Strom in einen Energieversorgungszweig 3 des steuerbaren
Energiespeichers 2 zurückgespeist, so werden umgekehrt auch nur diejenigen
Energiespeicherzellen 5 geladen, welche aktuell in den jeweiligen
Energieversorgungszweig 3 geschaltet sind und damit an der Bereitstellung der aktuellen Ausgangsspannung des entsprechenden Energieversorgungszweiges 3 beteiligt sind.
Um eine gleichmäßige Belastung aller Energiespeichermodule 4 bzw.
Energiespeicherzellen 5 zu erreichen, werden die an der Bereitstellung einer
Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweiges 3 zu beteiligenden
Energiespeicherzellen 5, für den Fall, dass zur Bereitstellung der aktuellen Soll- Ausgangsspannung weniger (k) als die maximale Anzahl (m) der Energiespeichermodule 4 benötigt werden, in Abhängigkeit von ihrem aktuellen Ladezustand ausgewählt. Hierzu sind Ladezustandsüberwachungseinheiten 9 vorgesehen, welche für alle
Energiespeichermodule eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen
Energiespeicherzellen 5 charakterisierende Größe, wie z.B. die aktuelle Spannung der jeweiligen Energiespeicherzellen 5 ermitteln. In Figur 1 ist beispielhaft eine derartige Ladezustandüberwachungseinheit 9 in Form einer Spannungssensorik für die
Energiespeicherzellen 5-31 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine entsprechende Darstellung der Ladezustandüberwachungseinheiten 9 für die übrigen Energiespeicherzellen 5 verzichtet.
Wird nun durch einen Energieversorgungszweig 3 Strom abgegeben, das heißt in die entsprechende Phase U, V, W der elektrischen Maschine 1 eingespeist, so werden diejenigen k Energiespeicherzellen 5 an der Bereitstellung der Ausgangsspannung beteiligt, welche aktuell die größte Ladung aufweisen. Dies erfolgt konkret dadurch, dass die ermittelten Ladungszustände durch das Steuergerät 8 ausgewertet werden und die den k Energiespeicherzellen 5 mit der größten Ladung jeweils zugeordneten
Koppeleinheiten 6 durch das Steuergerät 8 derart angesteuert werden, dass die
Energiespeicherzellen 5 in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden. Die Koppeleinheiten 6 der übrigen Energiespeichermodule 4, welche
Energiespeicherzellen 5 mit geringerer Ladung aufweisen, werden durch das Steuergerät 8 entsprechend derart gesteuert, dass die Energiespeicherzellen 5 überbrückt werden. Auf diese Weise werden, wann immer möglich, schwach geladene Energiespeicherzellen 5 geschont.
Im umgekehrten Fall, wenn also Strom von der elektrischen Maschine 1 an einen
Energieversorgungszweig 3 zurückgespeist und von diesem aufgenommen wird, werden diejenigen k Energiespeicherzellen 5 an der Bereitstellung der Ausgangsspannung beteiligt, welche aktuell die geringste Ladung aufweisen. Dies erfolgt konkret dadurch, dass die ermittelten Ladungszustände durch das Steuergerät 8 ausgewertet werden und die den k Energiespeicherzellen 5 mit der geringsten Ladung jeweils zugeordneten Koppeleinheiten 6 durch das Steuergerät 8 derart angesteuert werden, dass die
Energiespeicherzellen 5 in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden. Die Koppeleinheiten 6 der übrigen Energiespeichermodule 4, welche
Energiespeicherzellen 5 mit höherer Ladung aufweisen, werden durch das Steuergerät 8 entsprechend derart gesteuert, dass die Energiespeicherzellen 5 überbrückt werden. Auf diese Weise werden immer zuerst schwach geladene Energiespeicherzellen 4 wieder aufgeladen.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren Energiespeichers (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n > 1 , 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,
- die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrücken oder die jeweils zugeordneten
Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1 , 3-2; 3-3) schalten,
bei dem
- für alle Energiespeichermodule (4) eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) charakterisierende Größe ermittelt wird, und
- die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll- Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) gesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Koppeleinheiten (6) eines
Energieversorgungszweiges (3-1 ; 3-2; 3-3) in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) in dem entsprechenden
Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) gesteuert werden, wenn eine aktuell
vorgegebene Soll-Ausgangsspannung des Energieversorgungszweiges (3-1 ; 3-2; 3-3) durch k Energiespeicherzellen (5), mit k < m, in dem Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) bereit gestellt werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für den Fall, dass durch den
Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) Strom abgegeben wird, diejenigen k
Energiespeicherzellen (5) durch entsprechende Steuerung der zugeordneten Koppeleinheiten (6) in den Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) geschaltet werden, welche aktuelle die größte Ladung aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für den Fall, dass von dem
Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) Strom aufgenommen wird, diejenigen k
Energiespeicherzellen (5) durch entsprechende Steuerung der zugeordneten
Koppeleinheiten (6) in den Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) geschaltet werden, welche aktuelle die geringste Ladung aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für alle
Energiespeichermodule (4) eine aktuelle Spannung der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) ermittelt wird.
6. System zur Steuerung und zur elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n > 1 , mit
- einem steuerbaren Energiespeicher (2), welcher n parallele
Energieversorgungszweige (3-1 , 3-2, 3-3) aufweist, welche
■ jeweils 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 sind und
■ andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind,
wobei die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrücken oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den Energieversorgungszweig (3) schalten,
- Ladezustandsüberwachungseinheiten (9), welche für alle Energiespeichermodule (4) eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) charakterisierende Größe ermitteln,
- ein Steuergerät (8), welches die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von einer
vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1 ; 3-2; 3-3) und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) steuert.
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