WO2014206723A1 - Energiespeichereinrichtung mit gleichspannungsversorgungsschaltung und verfahren zum bereitstellen einer gleichspannung aus einer energiespeichereinrichtung - Google Patents

Energiespeichereinrichtung mit gleichspannungsversorgungsschaltung und verfahren zum bereitstellen einer gleichspannung aus einer energiespeichereinrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2014206723A1
WO2014206723A1 PCT/EP2014/062042 EP2014062042W WO2014206723A1 WO 2014206723 A1 WO2014206723 A1 WO 2014206723A1 EP 2014062042 W EP2014062042 W EP 2014062042W WO 2014206723 A1 WO2014206723 A1 WO 2014206723A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
energy storage
module
circuit
supply
storage device
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/062042
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Braun
Holger Rapp
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to US14/901,447 priority Critical patent/US10186861B2/en
Priority to CN201480036599.2A priority patent/CN105453370B/zh
Publication of WO2014206723A1 publication Critical patent/WO2014206723A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/19—Switching between serial connection and parallel connection of battery modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/21—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having the same nominal voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0024—Parallel/serial switching of connection of batteries to charge or load circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/52—Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/527—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/549—Current
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • Energy storage device with DC power supply circuit and method for providing a DC voltage from an energy storage device
  • the invention relates to an energy storage device with a
  • DC power supply circuit and a method for providing a DC voltage from an energy storage device, in particular a
  • Battery direct converter which supplies a vehicle electrical system with a DC voltage.
  • Wind turbines or solar systems as well as in vehicles such as hybrid or
  • Electric vehicles increasingly electronic systems are used, which combine new energy storage technologies with electric drive technology.
  • DC voltage in a multi-phase AC voltage for example, a three-phase AC voltage to be reversed.
  • the DC link is fed by a string of serially connected battery modules.
  • multiple battery modules are often connected in series in a traction battery.
  • the series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system. Furthermore, temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.
  • Energy storage module strings which are directly connectable to an electrical machine or an electrical network. This can be single-phase or multi-phase
  • the energy storage module strands have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows the respective assigned at least one battery cell to be bridged as a function of control signals or the respectively assigned at least one battery cell to switch the respective energy storage module string.
  • the coupling unit may be designed such that it additionally allows to switch the respectively associated at least one battery cell with inverse polarity in the respective energy storage module string or the respective
  • Interrupt energy storage module string By suitable activation of the coupling units, e.g. with the help of pulse width modulation, can also be appropriate
  • Phase signals are provided for controlling the phase output voltage, so that can be dispensed with a separate pulse inverter.
  • the required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated so to speak in the BDI.
  • BDIs usually have a higher level than conventional systems
  • Harmonic content of their output voltage is ensured, inter alia, that defective, failed or not fully efficient battery cells can be bridged by appropriate control of their associated coupling units in the power supply lines.
  • Phase output voltage of an energy storage module string can by
  • Energy storage modules of an energy storage module string is determined.
  • the publications DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1 disclose battery direct inverters with a plurality of battery module strings, which can be connected directly to an electrical machine.
  • BDIs At the output of BDIs is no constant DC voltage available because the energy storage cells are divided into different energy storage modules and their coupling devices must be targeted to generate a voltage.
  • a BDI is basically not as
  • DC voltage source for example, for the supply of an electrical system of an electric vehicle, available. Accordingly, the charging of the energy storage cells via a conventional DC voltage source is not readily possible. There is therefore a need for an energy storage device having a
  • Energy storage device can be coupled.
  • the present invention in one aspect, provides a system having a
  • Energy storage device and a DC power supply circuit wherein the energy storage device has at least two power supply branches, which at a first output in each case with at least one output terminal of
  • Busbar are coupled, each of the power supply branches having a plurality of series-connected energy storage modules.
  • the energy storage modules each comprise an energy storage cell module which has at least one
  • Energy storage cell has, and a coupling device with a
  • Coupling bridge circuit of coupling elements wherein the coupling elements are adapted to the energy storage cell module selectively in the respective
  • the DC power supply circuit includes a bridge circuit having a plurality of first power terminals, each connected to one of
  • Output terminals of the energy storage device are coupled, two supply nodes, at least one of which is coupled to the bridge circuit, and a
  • Module tap circuit which have at least two module switching branches with a commutation diode, wherein one of the module switching branches a first input terminal of the energy storage cell module at least one
  • Energy storage module one of the power supply branches switchable with a first the supply node and another of the module switching branches a second input terminal of the energy storage cell module of the at least one
  • the present invention provides a method for providing a DC voltage from a system according to the invention according to the first aspect, with the steps of determining the output voltage of
  • Input terminal of the energy storage cell module at least one
  • Energy storage module one of the power supply branches with the first
  • Energy storage cell module of the at least one energy storage module with the second supply node if the determined output voltage is less than the maximum output voltage of a single energy storage module.
  • Gleichthesesab proceedingss, for example, a DC-DC converter of a vehicle electrical system of an electrically operated vehicle, during operation of the
  • Energy storage device can be provided for the control of an electrical machine.
  • a diode bridge circuit to the
  • a module tap circuit serves to selectively dissipate a DC voltage from a single energy storage module to the DC voltage pickup.
  • the module tap circuit can be used to tap an input voltage of a single energy storage module and selectively feed into the DC voltage pickup.
  • a charging circuit for example of a range extender in an electrically powered vehicle, can be coupled in series with the DC voltage pickup, and at least in the energy storage modules coupled via the module tap circuit energy for charging the energy storage cells during the supply operation of Energy storage device can be fed.
  • At least one of the at least one module switching branches may have, in addition to the commutation diode, a module coupling switch connected in series with this commutation diode.
  • the system may further comprise a DC-DC converter coupled between the first supply node and the second supply node.
  • a DC-DC converter coupled between the first supply node and the second supply node.
  • the DC-DC converter a boost converter or a
  • the DC power supply circuit can have two charging circuit terminals and one
  • Charging circuit which is coupled via the two charging circuit terminals in series with the DC-DC converter or directly to the supply node, and wherein the charging circuit is adapted to a DC charging voltage for the
  • the bridge circuit may comprise a plurality of first bridge switching branches with a diode or the series arrangement of a diode and a bridge coupling switch, which in each case between the supply node connected to the bridge circuit and one of the plurality of first supply terminals or coupled by second supply terminals are.
  • the bridge circuit may have a further first supply connection or a further second supply connection, which is connected to the busbar.
  • the bridge circuit can have both a multiplicity of first supply connections and a Have plurality of second supply terminals, which are each coupled to one of the output terminals or the busbar of the energy storage device.
  • the bridge circuit may have a further bridge switching branch which connects the further first feed terminal or the further second feed terminal to that of the two feed nodes, which via the bridge circuit with the first
  • the bridge circuit may comprise a plurality of first bridge switching branches and a plurality of second bridge switching branches each having a diode or a series connection of a diode and a bridge coupling switch, wherein the first
  • Bridge switching branches are each connected between one of the plurality of first supply terminals and the first supply node, and the second bridge switching branches are each connected between one of the plurality of second supply terminals and the second supply node.
  • the module switching branches can switchably connect the energy storage cell module of the energy storage module of the energy supply branches closest to the busbar to the first or second supply nodes.
  • n-phase electric machine with n phase terminals, which is coupled to the output terminals of the energy storage device, where n> 1.
  • the n-phase electric machine with n phase terminals, which is coupled to the output terminals of the energy storage device, where n> 1.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a system with a
  • Fig. 2 is a schematic representation of an energy storage module of a
  • Fig. 3 is a schematic representation of a system with a
  • Fig. 4 is a schematic representation of a system with a
  • Fig. 5 is a schematic representation of a system with a
  • FIG. 6 is a schematic representation of a module switching branch or
  • Fig. 7 is a schematic representation of a method for providing a
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a charging circuit for a system according to one of FIGS. 3 to 5 according to a further embodiment of the present invention; and a schematic representation of another charging circuit for a system according to one of FIGS. 3 to 5 according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a system 100 with a
  • Energy storage device 1 for voltage conversion of provided in energy storage modules 3 DC voltage in an n-phase AC voltage.
  • Energy storage device 1 comprises a plurality of power supply branches Z, of which two are shown by way of example in FIG.
  • the energy supply branches Z can have a multiplicity of energy storage modules 3, which are connected in series in the energy supply branches Z.
  • three energy storage modules 3 per energy supply branch Z are shown in FIG. 1, but each other number is shown
  • Energy storage modules 3 may also be possible.
  • the energy storage device 1 has at each of the power supply branches Z via an output terminal 1 a and 1 b, which are respectively connected to phase lines 2a and 2b.
  • the phase line 2c of the electric machine 2 is connected in the example of FIG. 1 directly via the neutral point of the machine 2 with a busbar 2c, which in turn with
  • Input terminals preferably the neutral point, the power supply branches Z is coupled. However, it may also be possible not to feed the electrical machine 2 back to the energy storage device 1 via a phase line 2c. This can be selected depending on the type and design of the electric machine 2.
  • the system 100 may further comprise a control device S, which is connected to the energy storage device 1, and with the aid of which
  • Energy storage device 1 can be controlled to the desired
  • Output voltages to the respective output terminals 1a, 1 b and 1 c provide.
  • the energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b, via which an output voltage of the energy storage modules 3 can be provided. Since the energy storage modules 3 are primarily connected in series, the output voltages of the energy storage modules 3 add up to an overall
  • Output voltage which can be provided at the respective one of the output terminals 1a, 1b and 1c of the energy storage device 1.
  • Exemplary construction forms of the energy storage modules 3 are shown in greater detail in FIG. 2.
  • the energy storage modules 3 each comprise one
  • Coupling device 7 with a plurality of coupling elements 7a, 7b, 7c and 7d.
  • Energy storage modules 3 furthermore each comprise an energy storage cell module 5 with one or more energy storage cells 5a to 5k connected in series.
  • the energy storage cell module 5 may have, for example, series-connected energy storage cells 5 a to 5 k, for example lithium-ion cells.
  • the number of energy storage cells 5 a to 5 k in the energy storage modules 3 shown in FIGS. 2 and 3 is by way of example two, but any other number of
  • the energy storage cell modules 5 are connected via connecting lines
  • Coupling device 7 is shown in Fig. 2 by way of example as a full bridge circuit, each with two
  • Coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d can each have an active switching element, for example a semiconductor switch, and a free-wheeling diode connected in parallel therewith. It may be provided that the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d as MOSFET switches, which already have an intrinsic diode, or IGBT switches are formed.
  • the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d can be controlled in such a way, for example with the aid of the control device S shown in FIG.
  • Energy storage cell module 5 is selectively connected between the output terminals 3a and 3b or that the energy storage cell module 5 is bridged.
  • the power storage cell module 5 may be connected in the forward direction between the output terminals 3a and 3b by putting the active switching element of the coupling element 7d and the active switching element of the coupling element 7a in a closed state, while the two remaining active ones
  • Switching elements of the coupling elements 7b and 7c are set in an open state.
  • a lock-up state can be set, for example, by putting the two active switching elements of the coupling elements 7a and 7b in the closed state, while keeping the two active switching elements of the coupling elements 7c and 7d in the open state.
  • a second lock-up state can be set by holding the two active switching elements of the coupling elements 7a and 7b in the open state while the two active switching elements 7a and 7b are kept open
  • Reverse direction between the output terminals 3a and 3b are switched by the active switching element of the coupling element 7b and the active switching element of the coupling element 7c are placed in a closed state, while the other two active switching elements of the coupling elements 7a and 7d are placed in an open state.
  • individual energy storage cell modules 5 of the energy storage modules 3 can be integrated into the series connection of a power supply branch Z in a targeted manner and with any desired polarity.
  • the energy storage modules 3 may each comprise interfaces 3c and 3d which are each coupled to input terminals of the energy storage cell module 5.
  • interfaces 3c and 3d which are each coupled to input terminals of the energy storage cell module 5.
  • the system 100 in FIG. 1 is used to supply a two-phase electric machine 2, for example in an electric drive system for an electrically operated vehicle.
  • a two-phase electric machine 2 for example in an electric drive system for an electrically operated vehicle.
  • Power supply network 2 is used.
  • the power supply branches Z can be connected at their end connected to a star point with a busbar 2c
  • Reference potential rail (Reference potential rail) are connected. Even without further connection with a lying outside the power supply device 1 reference potential, the potential of the connected to a neutral point ends of the power supply branches Z are defined by definition as a reference potential.
  • Coupling devices 7 can be controlled in such a way that the total
  • Output voltage of a power supply branch Z stage in a rectangular voltage / current adjustment range between the multiplied by the number of energy storage modules 3 negative voltage of a single energy storage cell module 5 and the multiplied by the number of energy storage modules 3 positive voltage of a single energy storage cell module 5 on the one hand and the negative and the positive rated current through a single energy storage module 3 on the other hand can be set.
  • Such energy storage device 1 as shown in Fig. 1, to the
  • a DC power supply circuit which is adapted to be connected to an energy storage device 1, and supplied by that a DC voltage, for example, for the electrical system of an electrically operated vehicle to provide.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a system 200 with a
  • the DC power supply circuit 8 is connected to the energy storage device 1 via first collection ports 8a, 8b and 8c on the one hand and on the second
  • hunt groups 8d, 8e and 8f are coupled.
  • a DC voltage U Z K of the DC power supply circuit 8 can be tapped.
  • another (not shown) DC-DC converter for an electrical system of an electrically operated vehicle can be connected or it can - with a suitable comparison between the voltage U Z K between the Abgriffsan somebodyn 8g and 8h and the vehicle electrical system voltage - this electrical system directly be connected.
  • the DC power supply circuit 8 has in the example of FIG. 3 a
  • the Energy storage device 1 is coupled.
  • the hunt groups 8a to 8f can be coupled to the phase lines 2a, 2b and the busbar 2c of the system 200, for example.
  • the full-bridge circuit 9 may have bridge switching branches A, which are shown by way of example in greater detail in FIG. there
  • Bridge switching branch A with the pole designations "+” and “-” of the elements A shown in FIG. 3 (and in the following also also in FIGS. 4 and 5), that is to say that with "+” designated input terminal of the bridge switching branch A in Fig. 6 corresponds to the "+” designated input terminals of the elements A in Fig. 3 to 5 and the "-" designated input terminal of the bridge switching branch A in Fig. 6 corresponds to those denoted by "-” Input terminals of the elements A in Fig. 3 to 5.
  • the designated by, + "pole of a bridge switching branch switch is hereinafter referred to as its anode, the pole denoted by" - “according to its cathode.
  • the bridge switching branches A may each comprise a series circuit each comprising a commutation diode 16 and an active bridge coupling switch 17.
  • the arrangement of commutation diode 16 and bridge coupling switch 17 within a bridge switching branch A is interchangeable.
  • the bridge coupling switch 17 may have, for example, MOSFET or IGBT power semiconductor switches.
  • the bridge switching branches A are arranged such that the collecting terminals 8a, 8b, 8c, the anodes of the bridge switching branches A connected thereto with the
  • Cathode collection of the full bridge circuit 9 be interconnected, while the anodes of the coupled with the huntings 8 d, 8 e, 8 f bridge switching branches
  • the cathode collection point is in turn connected to the first supply node 14a, the anode collection point is connected to the second supply node 14b.
  • a commutating inductor 15 may optionally be provided in each of the bridge switching branches A, which in each case in series with the diodes 16 and the
  • Bridge coupling switches 17 are coupled.
  • the arrangement of the commutation 15 within the series circuit of commutation diode 16, bridge coupling switch 17 and commutation 15 is arbitrary.
  • the commutation chokes 15 can thereby potential fluctuations, which may occur temporarily due to control-related stage potential changes in the respective phase lines 2a, 2b, buffers, so that the diodes 16 are less heavily burdened by frequent commutation.
  • the DC voltage supply circuit 8 also has a module tap circuit 6, which has at least two module switching branches A.
  • a module tap circuit 6 which has at least two module switching branches A.
  • Embodiment four module switching branches A are provided.
  • the module switching branches A can be constructed analogously to the bridge switching branches A in FIG. 6, wherein in turn the pole designations "+" and "-" "of the bridge switching branches A in FIG. 6,
  • Pole designations "+” and “-” "of the module switching branches A in Fig. 3 to 5 corresponds.
  • One of the module switching branches A connects a first input terminal 3c of the energy storage cell module 5 of at least one energy storage module 3 of one of the energy supply branches Z switchable with the cathode collection point of
  • DC power supply circuit 8 and another of the module switching branches A switchably connects a second input terminal 3d of the energy storage cell module 5 of the at least one energy storage module 3 to the anode collection point of the DC power supply circuit 8.
  • Anode collection point can then with feed nodes 14a and 14b a
  • the module tap circuit 6 contains at least two of the four module switching branches A shown in the exemplary embodiment according to FIG. 3. Likewise, embodiments of the module tap circuit 6 are possible in which further energy storage modules 3 of the energy storage device 1 have corresponding energy storage devices 1
  • Input terminals 3c and 3d have and module switching branches A with the first supply node 14a and / or the second supply node 14b a
  • the boost converter 14 may be designed to be a DC voltage U Z K to the Abgriffsanêtn 8g, 8h of the potential between the collection points of the full bridge circuit 9 and Modulabgriffssctreu 6
  • the boost converter 14 may comprise, for example, at the first supply node 14a, a converter choke 10 and an output diode 11 in series connection, the center tap thereof
  • Stellerschaltelement 12 coupled to the second supply node 14b.
  • the converter choke 10 may also be connected between the anode collecting point and the
  • Switch actuator 12 may be provided, or it may be provided at both input terminals of the boost converter 14, two converter chokes 10.
  • the actuator switching element 12 may comprise, for example, a power semiconductor switch, such as a MOSFET switch or an IGBT switch.
  • an n-channel IGBT can be used for the actuator switching element 12, which is disabled in the normal state. It should be understood, however, that any other power semiconductor switch for the actuator switching element 12 can also be used.
  • Anode collection points always within an input voltage range predetermined by a further component connected to the tapping terminals 8g, 8h.
  • the output diode 11 may also be dispensed with in some embodiments.
  • the DC power supply circuit 8 may further include a
  • the intermediate circuit capacitor 13 which is connected between the Abgriffsan somebody 8g, 8h of the DC power supply circuit 8, and which is adapted to buffer the output from the boost converter 14 current pulses and thus produce a smoothed DC voltage U Z K ZU at the output of the boost converter.
  • About the DC-link capacitor 13 can then be fed, for example, a DC-DC converter of a vehicle electrical system of an electrically operated vehicle or it can In certain cases, this vehicle electrical system can also be connected directly to the DC link capacitor 13.
  • the DC voltage input stage 14 can also be realized by another DC-DC converter, for example, a forward converter in half-bridge circuit or in
  • the number of bridge switching branches A in the bridge circuit 9 is indicated in FIG. 3 by way of example by six and is based on the number of output terminals 1 a, 1 b,
  • Energy storage modules 3 is coupled via the terminals 3 c and 3d to the module tap circuit 6. Likewise it can be provided, not in all
  • Modulabgriffssciens 6 to couple, but only in one or some.
  • the energy storage modules 3 of a power supply branch Z of the energy storage device 1 is coupled to the module tap circuit 6, which is closest to the busbar 2c. This is the reference potential at
  • the DC power supply circuit 8 may optionally continue to have two
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a charging circuit 30, which has input terminals 36a, 36b, to which a DC input voltage U N can be fed.
  • the input DC voltage U N can be generated by (not shown) circuitry, for example
  • PFC Power Factor Correction
  • the charging circuit 30 may further comprise an input capacitor 35, via which the input DC voltage can be tapped off and the reaction of pulsating currents on both the input and the output side of the charging circuit 30 or from
  • an output voltage u L of the charging circuit 30 can be tapped, which for charging a connected energy storage device, such as a series of energy storage modules 3 or a power supply branch Z a
  • Energy storage device 1 as shown in FIGS. 3 to 5, can serve.
  • the charging circuit 30 has a semiconductor switch 33 and a freewheeling diode 39, which implement a buck converter.
  • a control variable for the charging current I L of the charging circuit 30 for example, the output voltage to be charged
  • Energy storage device 1 for example, a series of energy storage modules 3 or a power supply branch of the energy storage device 1 as shown in FIGS. 3 to 5, or alternatively, the implemented over the semiconductor switch 33 duty cycle of the buck converter serve. It may also be possible to use the input DC voltage U N present across the input capacitor 35 as a control variable for the charging current I L.
  • the buck converter can be operated, for example, in an operating state with the constant duty cycle of 1, so that the
  • Semiconductor switch 33 can remain permanently closed. It may also be possible to dispense with the semiconductor switch 33 and this by a conductive
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a charging circuit 40, which
  • the input AC voltage u N can be generated by (not shown) circuitry, for example Inverter full bridges or the like.
  • the input AC voltage u N preferably has a rectangular lapping or non-lopsided course and a high fundamental frequency.
  • the input AC voltage U N for example, by an input side connected power grid or a
  • Range enlarger (Range Extender) with downstream change or
  • the charging circuit 40 may further include a transformer 45 whose primary winding is coupled to the input terminals 46a, 46b.
  • the secondary winding of the transformer 45 can with a
  • Full bridge rectifier circuit 44 may be coupled from four diodes, at the output of a pulsating DC voltage can be tapped.
  • Interval length of the pulsating DC voltage can be determined by a variation of the
  • Time intervals occur in which the voltage applied to the primary winding of the transformer 45 input AC voltage u N and thus the corresponding
  • an output voltage u L of the charging circuit 40 can be tapped, which for charging, for example, a number of energy storage modules 5 or a
  • Power supply branch Z of an energy storage device 1 as shown in FIGS. 3 to 5, can serve.
  • the charging circuit 40 has a freewheeling diode 42 and a semiconductor switch 43, which as a buck converter for the pulsating DC voltage of
  • Full bridge rectifier circuit 44 serve. It can also be provided to integrate a converter choke 41 for smoothing the charging current I L in the charging circuit 40.
  • the function of such converter choke 41 but can also by a in the
  • DC supply circuit 8 existing converter choke 10 can be realized because the input of the DC power supply circuit 8 and the output of the charging circuit 30 and 40 are electrically connected in series.
  • a control variable for the charging current I L for example, the output voltage to be charged
  • Energy storage modules 3 one or more power supply branches Z of
  • the DC component of the pulsating DC voltage at the output of the full-bridge rectifier 44 and / or the duty cycle of the semiconductor switch 43 may be used.
  • the semiconductor switch 43 can be dispensed with without substitution and be replaced by a conductive connection.
  • the pulsating output voltage of the full-bridge rectifier 44 is applied directly to the charging circuit terminals 8a, 8b and thus represents the charging voltage u L.
  • Freewheeling diode 42 are omitted without replacement.
  • the diodes of the full-bridge rectifier circuit 44 additionally assume the function of the freewheeling diode 42.
  • the module tap circuit 6 can be activated by the corresponding module coupling switches 17 of the module switching branches A be closed. This ensures that the output voltage of the
  • Energy storage module 3 may decline.
  • charging mode that is with activated charging circuit 30 or 40 in the so-called range extender mode, can
  • Module coupling switch 17 of the module switching branches A and the bridge switching branches A are blocked so that the output voltage of the module tap 6 can also be negative.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a system 300 with a
  • the system 300 differs from the system 200 shown in FIG. 3 substantially in that the bridge circuit 9 is implemented as a half-bridge circuit with cathode collection point, that is, that only the phase tap connections 8a and 8b are provided the bridge switching branches A are connected to the phase lines 2a, 2b of the energy storage device 1.
  • the bridge circuit 9 is implemented as a half-bridge circuit with cathode collection point, that is, that only the phase tap connections 8a and 8b are provided the bridge switching branches A are connected to the phase lines 2a, 2b of the energy storage device 1.
  • DC power supply circuit 8 of FIG. 4 is therefore at a
  • the cathode collection point is in turn connected to the first supply node 14a.
  • the second feeding node 14b is connected to the busbar 2c of FIG.
  • DC voltage supply circuit 8 of FIG. 4 is a potential difference between the cathode collection point of the half-bridge circuit 9 and thus the feeding node 14 a and the feeding node 14 b, which by the boost converter 14 to a DC voltage U Z K can be increased.
  • the feeding node 14b is connected via a diode 18 to the busbar 2c and the star point terminal of the electric machine 2, so that no unwanted short circuit on the
  • FIG. 5 is a schematic illustration of a system 400 having an energy storage device 1 and a DC power supply circuit 8. The system 400 differs from the system 200 shown in FIG.
  • Anodensammeltician is executed, that is, that only the
  • Phase tap terminals 8 d and 8 e are provided, via the bridge switching branches A to the phase lines 2 a, 2 b of the energy storage device 1 are connected.
  • the DC power supply circuit 8 of FIG. 5 is therefore at a
  • the half-bridge circuit 9 is always the current lowest current potential of the phase lines 2a, 2b and the module switching branches A coupled to this anode collection point input terminals 3d of energy storage modules 3 of the energy storage device 1 at.
  • This anode collecting point is in turn connected to the second feeding node 14b.
  • the first feeding node 14a is in this case
  • Embodiment coupled to the busbar 2 c of the energy storage device 1. Also in the DC power supply circuit 8 of FIG. 5, there is a potential difference between the feeding node 14a and the anode collecting point of FIG.
  • Step-up converter 14 to a DC voltage U Z K can be increased.
  • Feeding node 14a is connected via a diode 19 to the busbar 2c and the
  • Energy storage device 1 may arise. At the feeding node 14a of the
  • DC voltage supply circuit 8 of FIG. 5 is consequently always the current highest potential of the busbar 2c, or the input terminals 3c of module switching branches A coupled to this feed node 14a
  • the optional charging ports 8j and 8k may also be located at the feeding node 14a instead of the feeding node 14b.
  • the diodes 18 and 19 may alternatively be replaced by a bridge switching branch A.
  • the module tap circuits 6 can be activated by the respective module coupling switches 17 the module switching branches A are closed. This ensures that the output voltage of the module tap circuit 6 can not fall below the voltage of a single energy storage module 3.
  • the charging mode that is to say when the charging circuit 30 or 40 is activated in the so-called range extender mode, the module coupling switches 17 of the module switching branches A can be blocked so that the output voltage of the modulo tapping circuit 6 can also become negative.
  • Power semiconductor switches include, for example, normal-blocking or normally-on n- or p-channel MOSFET switches or corresponding IGBT switches. When using power semiconductor switches with defined and sufficient
  • Reverse blocking capability can be dispensed with the corresponding series circuits with diodes.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a method 20 for providing a DC voltage from an energy storage device, in particular one
  • the method 20 can be used, for example, to provide a
  • DC voltage from an energy storage device 1 of an electrically operated vehicle with an electric drive system 200, 300 or 400 of FIG. 3, 4 and 5 are used, in particular for a DC vehicle electrical system.
  • Output voltage may then in step 22, a switching coupling of the first
  • Input terminal 3c of the energy storage cell module 5 at least one
  • Energy storage module 3 one of the power supply branches Z with the first
  • the steps 22 and 23 are carried out in particular when the determined output voltage is less than the maximum output voltage of a single energy storage module

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung, wobei die Energiespeichereinrichtung mindestens zwei parallel geschaltete Energieversorgungszweige aufweist, welche an einem ersten Ausgang jeweils mit mindestens einem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen und an einem zweiten Ausgang mit einer gemeinsamen Sammelschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Die Energiespeichermodule umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit einer Koppelbrückenschaltung aus Koppelelementen, wobei die Koppelelemente dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig zu umgehen. Die Gleichspannungsversorgungsschaltung weist eine Brückenschaltung mit einer Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, zwei Speiseknoten, von denen mindestens einer mit der Brückenschaltung gekoppelt ist und eine Modulabgriffsschaltung auf, welche mindestens zwei Modulschaltzweige mit einer Kommutierungsdiode aufweisen, wobei einer der Modulschaltzweige einen ersten Eingangsanschluss des Energiespeicherzellenmoduls mindestens eines Energiespeichermoduls eines der Energieversorgungszweige schaltbar mit einem ersten der Speiseknoten und ein anderer der Modulschaltzweige einen zweiten Eingangsanschluss des Energiespeicherzellenmoduls des mindestens einen Energiespeichermoduls schaltbar mit einem zweiten der Speiseknoten verbindet.

Description

Beschreibung Titel
Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung mit einer
Gleichspannungsversorgungsschaltung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einen
Batteriedirektumrichter, welcher ein Fahrzeugbordnetz mit einer Gleichspannung versorgt.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B.
Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder
Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
Die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine wird
üblicherweise durch einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters bewerkstelligt. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte
Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis wird dabei von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.
In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter
Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren
Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige
Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Dabei kann die Koppeleinheit derart gestaltet sein, dass sie es zusätzlich erlaubt, die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle auch mit inverser Polarität in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten oder auch den jeweiligen
Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete
Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert.
BDIs weisen gegenüber herkömmlichen Systemen üblicherweise einen höheren
Wirkungsgrad, eine höhere Ausfallsicherheit und einen deutlich geringeren
Oberschwingungsgehalt ihrer Ausgangsspannung auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Ansteuerung der ihnen zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungssträngen überbrückt werden können. Die
Phasenausgangsspannung eines Energiespeichermodulstrangs kann durch
entsprechendes Ansteuern der Koppeleinheiten variiert und insbesondere stufig eingestellt werden. Die Stufung der Ausgangsspannung ergibt sich dabei aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls, wobei die maximal mögliche
Phasenausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller
Energiespeichermodule eines Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.
Die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 beispielsweise offenbaren Batteriedirektinverter mit mehreren Batteriemodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind. Am Ausgang von BDIs steht keine konstante Gleichspannung zur Verfügung, da die Energiespeicherzellen auf unterschiedliche Energiespeichermodule aufgeteilt sind und deren Koppeleinrichtungen gezielt zur Erzeugung einer Spannungslage angesteuert werden müssen. Durch diese Verteilung steht ein BDI im Grunde nicht als
Gleichspannungsquelle, beispielsweise für die Speisung eines Bordnetzes eines elektrischen Fahrzeugs, zur Verfügung. Dementsprechend ist auch das Laden der Energiespeicherzellen über eine herkömmliche Gleichspannungsquelle nicht ohne weiteres möglich. Es besteht daher ein Bedarf an einer Energiespeichereinrichtung mit einer
Gleichspannungsversorgungsschaltung und einem Verfahren zum Betreiben derselben, mit denen ein Gleichspannungsabnehmer aus der Energiespeichereinrichtung mit einer Gleichspannung gespeist bzw. eine Gleichspannungsladeschaltung an die
Energiespeichereinrichtung angekoppelt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein System mit einer
Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung, wobei die Energiespeichereinrichtung mindestens zwei Energieversorgungszweige aufweist, welche an einem ersten Ausgang jeweils mit mindestens einem Ausgangsanschluss der
Energiespeichereinrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung an den
Ausgangsanschlüssen und an einem zweiten Ausgang mit einer gemeinsamen
Sammelschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Die Energiespeichermodule umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine
Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit einer
Koppelbrückenschaltung aus Koppelelementen, wobei die Koppelelemente dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen
Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig zu umgehen. Die Gleichspannungsversorgungsschaltung weist eine Brückenschaltung mit einer Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen, welche jeweils mit einem der
Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, zwei Speiseknoten, von denen mindestens einer mit der Brückenschaltung gekoppelt ist, und eine
Modulabgriffsschaltung auf, welche mindestens zwei Modulschaltzweige mit einer Kommutierungsdiode aufweisen, wobei einer der Modulschaltzweige einen ersten Eingangsanschluss des Energiespeicherzellenmoduls mindestens eines
Energiespeichermoduls eines der Energieversorgungszweige schaltbar mit einem ersten der Speiseknoten und ein anderer der Modulschaltzweige einen zweiten Eingangsanschluss des Energiespeicherzellenmoduls des mindestens einen
Energiespeichermoduls schaltbar mit einem zweiten der Speiseknoten verbindet. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einem erfindungsgemäßen System gemäß dem ersten Aspekt, mit den Schritten des Ermitteins der Ausgabespannung der
Energieversorgungszweige an den Ausgangsanschlüssen der
Energiespeichereinrichtung, und des schaltenden Koppeins des ersten
Eingangsanschlusses des Energiespeicherzellenmoduls mindestens eines
Energiespeichermoduls eines der Energieversorgungszweige mit dem ersten
Speiseknoten und schaltenden Koppeins des zweiten Eingangsanschlusses des
Energiespeicherzellenmoduls des mindestens einen Energiespeichermoduls mit dem zweiten Speiseknoten, falls die ermittelte Ausgabespannung geringer ist als die maximale Ausgabespannung eines einzelnen Energiespeichermoduls.
Vorteile der Erfindung
Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung für die Ausgänge einer modular ausgestalteten Energiespeichereinrichtung, insbesondere eines Batteriedirektumrichters, vorzusehen, mit der eine Gleichspannung für den Betrieb eines
Gleichspannungsabnehmers, beispielsweise eines Gleichspannungswandlers eines Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, während des Betriebs der
Energiespeichereinrichtung für die Ansteuerung einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann. Dazu ist es vorgesehen, eine Dioden-Brückenschaltung an die
Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung anzukoppeln, mit Hilfe derer eine Gleichspannung an den Ausgangsanschlüsse abgegriffen werden kann. Gleichzeitig dient eine Modulabgriffsschaltung dazu, eine Gleichspannung selektiv aus einem einzelnen Energiespeichermodul an den Gleichspannungsabnehmer abzuführen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass stets eine weitere Gleichspannungslage, beispielsweise zur Speisung eines Zwischenkreiskondensators des Bordnetzes aus der Energiespeichereinrichtung, vorhanden ist, egal in welchem Betriebszustand die
Energiespeichereinrichtung gerade betrieben wird. Insbesondere bei geringer gesamter Ausgabespannung der Energiespeichereinrichtung, welche die Ausgabespannung eines einzelnen Energiespeichermoduls unterschreitet, kann die Modulabgriffsschaltung genutzt werden, um eine Eingangsspannung eines einzelnen Energiespeichermoduls abzugreifen und selektiv in den Gleichspannungsabnehmer einzuspeisen. Ein weiterer Vorteil dieser Modulabgriffsschaltung besteht darin, dass eine Ladeschaltung, beispielsweise von einem Reichweitenvergrößerer in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, in Reihe zu dem Gleichspannungsabnehmer gekoppelt werden kann, und zumindest in die über die Modulabgriffsschaltung angekoppelten Energiespeichermodule Energie zum Laden der Energiespeicherzellen auch während des Versorgungsbetriebs der Energiespeichereinrichtung eingespeist werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann mindestens einer der mindestens einen Modulschaltzweige zusätzlich zur Kommutierungsdiode einen zu dieser Kommutierungsdiode in Reihe geschalteten Modulkoppelschalter aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin einen Gleichspannungswandler umfassen, welcher zwischen den ersten Speiseknoten und den zweiten Speiseknoten gekoppelt ist. Dabei kann gemäß einer Ausführungsform der Gleichspannungswandler einen Hochsetzsteller oder einen
Durchflusswandler aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwei Ladeschaltungsanschlüsse und eine
Ladeschaltung aufweisen, welche über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse in Reihe zu dem Gleichspannungswandler oder direkt an die Speiseknoten gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung dazu ausgelegt ist, eine Ladegleichspannung für die
Energiespeicherzellenmodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Brückenschaltung eine Vielzahl von ersten Brückenschaltzweigen mit einer Diode oder der Reihenschaltung aus einer Diode und einem Brückenkoppelschalter aufweisen, welche jeweils zwischen den mit der Brückenschaltung verbundenen Speiseknoten und einen der Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen oder von zweiten Speiseanschlüssen gekoppelt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Brückenschaltung einen weiteren ersten Speiseanschluss oder einen weiteren zweiten Speiseanschluss aufweisen, welcher mit der Sammelschiene verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Brückenschaltung sowohl eine Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen als auch eine Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen aufweisen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse oder der Sammelschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Brückenschaltung einen weiteren Brückenschaltzweig aufweisen, welcher den weiteren ersten Speiseanschluss oder den weiteren zweiten Speiseanschluss mit jenem der beiden Speiseknoten verbindet, der über die Brückenschaltung mit den ersten
Speiseanschlüssen oder mit den zweiten Speiseanschlüssen verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Brückenschaltung eine Vielzahl von ersten Brückenschaltzweigen und eine Vielzahl von zweiten Brückenschaltzweigen mit jeweils einer Diode oder einer Reihenschaltung aus einer Diode und einem Brückenkoppelschalter aufweisen, wobei die ersten
Brückenschaltzweige jeweils zwischen einen der Vielzahl der ersten Speiseanschlüsse und den ersten Speiseknoten geschaltet sind, und die zweiten Brückenschaltzweige jeweils zwischen einen der Vielzahl der zweiten Speiseanschlüsse und den zweiten Speiseknoten geschaltet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems können die Modulschaltzweige das Energiespeicherzellenmodul des der Sammelschiene am nächsten liegenden Energiespeichermoduls der Energieversorgungszweige schaltbar mit den ersten bzw. zweiten Speiseknoten verbinden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das
System weiterhin eine n-phasige elektrische Maschine mit n Phasenanschlüssen aufweisen, welche mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, wobei n > 1. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die n-phasige elektrische
Maschine einen Wicklungssternpunkt aufweisen, der aus der Maschine herausgeführt ist. Des Weiteren kann dieser Wicklungssternpunkt mit der Sammelschiene der
Energiespeichereinrichtung verbunden sein. Dies ist besonders vorteilhaft bei
zweiphasigen Maschinen (n = 2).
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 eines Systems mit einer
Energiespeichereinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer
Energiespeichereinrichtung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer
Energiespeichereinrichtung und einer
Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer
Energiespeichereinrichtung und einer
Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer
Energiespeichereinrichtung und einer
Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Modulschaltzweigs bzw.
Brückenschaltzweigs für eine Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer
Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung für ein System nach einer der Fig. 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und eine schematische Darstellung einer weiteren Ladeschaltung für ein System nach einer der Fig. 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 mit einer
Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von in Energiespeichermodulen 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die
Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen Z, von denen in Fig.1 beispielhaft zwei gezeigt sind, welche zur Erzeugung einer
zweiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Transversalflussmaschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich sein kann. Die Energieversorgungszweige Z können eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 3 aufweisen, welche in den Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in Fig. 1 je drei Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an
Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige Z über einen Ausgangsanschluss 1 a und 1 b, welche jeweils an Phasenleitungen 2a und 2b angeschlossen sind. Die Phasenleitung 2c der elektrischen Maschine 2 ist im Beispiel der Fig. 1 direkt über den Sternpunkt der Maschine 2 mit einer Sammelschiene 2c verbunden, die wiederum mit
Eingangsanschlüssen, vorzugsweise dem Sternpunkt, der Energieversorgungszweige Z gekoppelt ist. Es kann jedoch auch möglich sein, die elektrische Maschine 2 nicht über eine Phasenleitung 2c mit der Energiespeichereinrichtung 1 rückzukoppeln. Dies kann je nach Typ und Auslegung der elektrischen Maschine 2 gewählt werden.
Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung S umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mit Hilfe derer die
Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten
Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1 b bzw. 1 c bereitzustellen.
Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu einer Gesamt-
Ausgangsspannung, welche an dem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse 1a, 1 b bzw. 1 c der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann. Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in Fig. 2 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine
Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a, 7b, 7c und 7d. Die
Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a bis 5k.
Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den in Fig. 2 und 3 gezeigten Energiespeichermodulen 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von
Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.
Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit
Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die
Koppeleinrichtung 7 ist in Fig. 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei
Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die
Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d als MOSFET-Schalter, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen, oder IGBT-Schalter ausgebildet sind.
Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Steuereinrichtung S, dass das jeweilige
Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Mit Bezug auf Fig. 2 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7d und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7a in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven
Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Ein zweiter Überbrückungszustand kann dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden, während die beiden aktiven
Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden. Schließlich kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in
Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7b und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7c in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in einen offenen Zustand versetzt werden. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt und mit beliebiger Polung in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs Z integriert werden.
Weiterhin können die Energiespeichermodule 3 jeweils Schnittstellen 3c und 3d umfassen, die jeweils mit Eingangsanschlüssen des Energiespeicherzellenmoduls 5 gekoppelt sind. Für die Energiespeichereinrichtung 1 in Fig. 1 können beispielsweise teilweise Energiespeichermodule 3 mit derartigen Schnittstellen 3c und 3d und teilweise Energiespeichermodule 3 ohne die Schnittstellen 3c und 3d in einem
Energieversorgungszweig Z angeordnet werden. Dabei kann der Anteil der
Energiespeichermodule 3 mit Schnittstellen 3c und 3d frei wählbar und insbesondere an die Anforderungen an die Energiespeichereinrichtung 1 angepasst sein, wie im
Zusammenhang mit Fig. 3 bis 5 weiter unten genauer erläutert.
Beispielhaft dient das System 100 in Fig. 1 zur Speisung einer zweiphasigen elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die
Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein
Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. Die Energieversorgungszweige Z können an ihrem zu einem Sternpunkt verbundenen Ende mit einer Sammelschiene 2c
(Bezugspotentialschiene) verbunden werden. Auch ohne weitere Verbindung mit einem außerhalb der Energieversorgungseinrichtung 1 liegenden Bezugspotential kann das Potential der zu einem Sternpunkt verbundenen Enden der Energieversorgungszweige Z per Definition als Bezugspotential festgelegt werden.
Für die Erzeugung einer Phasenspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 1 a und 1 b einerseits und der Sammelschiene 2c andererseits wird üblicherweise nur ein Teil der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 benötigt. Deren
Koppeleinrichtungen 7 können derart angesteuert werden, dass die Gesamt-
Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z stufig in einem rechteckigen Spannungs-/Strom-Stellbereich zwischen der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten negativen Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 und der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten positiven Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 einerseits und dem negativen und dem positiven Nennstrom durch ein einzelnes Energiespeichermodul 3 andererseits eingestellt werden kann.
Eine derartige Energiespeichereinrichtung 1 wie in Fig. 1 gezeigt, weist an den
Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b zu verschiedenen Zeitpunkten im Betrieb unterschiedliche Potentiale auf, und kann daher nicht ohne weiteres als Gleichspannungsquelle genutzt werden. Besonders in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge ist es häufig wünschenswert, das Bordnetz des Fahrzeugs, beispielsweise ein
Hochvoltbordnetz oder ein Niedervoltbordnetz, aus der Energiespeichereinrichtung 1 zu speisen. Daher ist eine Gleichspannungsversorgungsschaltung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, an eine Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen zu werden, und gespeist von jener eine Gleichspannung, beispielsweise für das Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, bereitzustellen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 200 mit einer
Energiespeichereinrichtung 1 und einer solchen Gleichspannungsversorgungsschaltung 8. Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 ist mit der Energiespeichereinrichtung 1 über erste Sammelanschlüsse 8a, 8b und 8c einerseits und über zweite
Sammelanschlüsse 8d, 8e und 8f andererseits gekoppelt. An Abgriffsanschlüssen 8g und 8h kann eine Gleichspannung UZK der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 abgegriffen werden. An den Abgriffsanschlüssen 8g und 8h kann beispielsweise ein weiterer (nicht gezeigter) Gleichspannungswandler für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeschlossen werden oder es kann - bei geeignetem Abgleich zwischen der Spannung UZK zwischen den Abgriffsanschlüssen 8g und 8h und der Bordnetzspannung - dieses Bordnetz direkt angeschlossen werden.
Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 weist im Beispiel der Fig. 3 eine
Vollbrückenschaltung 9 auf, welche über die ersten und zweiten Sammelanschlüsse 8a bis 8f jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1 a, 1 b, 1 c der
Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Die Sammelanschlüsse 8a bis 8f können dabei beispielsweise an den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sammelschiene 2c des Systems 200 gekoppelt sein. Die Vollbrückenschaltung 9 kann Brückenschaltzweige A aufweisen, die in Fig. 6 beispielhaft in größerem Detail dargestellt sind. Dabei
korrespondieren die Polbezeichnungen„+" und„-" des in Fig. 6 dargestellten
Brückenschaltzweigs A mit der in Fig. 3 (und im Folgenden auch den Fig. 4 und 5) dargestellten Polbezeichnungen„+" und„-" der Elemente A, das heißt, der mit„+" bezeichnete Eingangsanschluss des Brückenschaltzweigs A in Fig. 6 korrespondiert mit den mit„+" bezeichneten Eingangsanschlüssen der Elemente A in Fig. 3 bis 5 und der mit „-" bezeichnete Eingangsanschluss des Brückenschaltzweigs A in Fig. 6 korrespondiert mit den mit„-" bezeichneten Eingangsanschlüssen der Elemente A in Fig. 3 bis 5. Der mit , ,+" bezeichneten Pol eines Brückenschaltzweigschalters wird im Folgenden als dessen Anode, der mit„-" bezeichnete Pol entsprechend als dessen Kathode bezeichnet.
Wie in Fig. 6 gezeigt, können die Brückenschaltzweige A jeweils eine Reihenschaltung aus jeweils einer Kommutierungsdiode 16 und einem aktiven Brückenkoppelschalter 17 aufweisen. Die Anordnung von Kommutierungsdiode 16 und Brückenkoppelschalter 17 innerhalb eines Brückenschaltzweigs A ist vertauschbar. Die Brückenkoppelschalter 17 können dabei beispielsweise MOSFET- oder IGBT-Leistungshalbleiterschalter aufweisen. Die Brückenschaltzweige A sind derart angeordnet, dass die Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c die Anoden der daran angeschlossenen Brückenschaltzweige A mit den
Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c koppeln und dass die Sammelanschlüsse 8d, 8e, 8f die Kathoden der daran angeschlossenen Brückenschaltzweige mit den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c koppeln. Die Kathoden der mit den Sammelanschlüssen 8a, 8b, 8c
gekoppelten Brückenschaltzweige können ihrerseits an einem gemeinsamen
Kathodensammelpunkt der Vollbrückenschaltung 9 zusammengeschaltet sein, während die Anoden der mit den Sammelanschlüssen 8d, 8e, 8f gekoppelten Brückenschaltzweige
A an einem gemeinsamen Anodensammelpunkt der Vollbrückenschaltung 9
zusammengeschaltet sind. Der Kathodensammelpunkt ist wiederum mit dem ersten Speiseknoten 14a verbunden, der Anodensammelpunkt ist mit dem zweiten Speiseknoten 14b verbunden.
Durch diese Art der Verschaltung steht bei jeweils geschlossenen
Brückenkoppelschaltern 17 an dem Kathodensammelpunkt der Vollbrückenschaltung 9 und damit am Speiseknoten 14a jeweils das momentan höchste Potential der
Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sammelschiene 2c und an dem Anodensammelpunkt der Vollbrückenschaltung 9 und damit am Speiseknoten 14b jeweils das momentan niedrigste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sammelschiene 2c an.
Zusätzlich kann optional in jedem der Brückenschaltzweige A eine Kommutierungsdrossel 15 vorgesehen sein, welche jeweils in Reihe zu den Dioden 16 und den
Brückenkoppelschaltern 17 gekoppelt sind. Die Anordnung der Kommutierungsdrossel 15 innerhalb der Reihenschaltung aus Kommutierungsdiode 16, Brückenkoppelschalter 17 und Kommutierungsdrossel 15 ist dabei beliebig. Die Kommutierungsdrosseln 15 können dabei Potentialschwankungen, welche aufgrund von ansteuerungsbedingten stufigen Potentialwechseln in den jeweiligen Phasenleitungen 2a, 2b zeitweise auftreten können, abpuffern, so dass die Dioden 16 weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.
Dient die Gleichspannungsversorgungsschaltung nur der Entnahme von Energie aus der Energiespeichereinrichtung 1 , beispielsweise zur Versorgung eines Bordnetzes, so kann auf die aktiven Brückenkoppelschalter 17 verzichtet werden. Diese werden in diesem Fall durch eine leitende Verbindung ersetzt. Soll über die
Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 auch Energie in die Energiespeichereinrichtung 1 eingespeist werden können, so sind die aktiven Brückenkoppelschalter 17 dagegen erforderlich.
Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 weist zudem eine Modulabgriffsschaltung 6 auf, welche mindestens zwei Modulschaltzweige A aufweist. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel sind vier Modulschaltzweige A vorgesehen. Die Modulschaltzweige A können analog zu den Brückenschaltzweigen A in Fig. 6 aufgebaut sein, wobei wiederum die Polbezeichnungen„+" und„-„" der Brückenschaltzweige A in Fig. 6 mit den
Polbezeichnungen„+" und„-„" der Modulschaltzweige A in Fig. 3 bis 5 korrespondiert. Einer der Modulschaltzweige A verbindet dabei einen ersten Eingangsanschluss 3c des Energiespeicherzellenmoduls 5 mindestens eines Energiespeichermoduls 3 eines der Energieversorgungszweige Z schaltbar mit dem Kathodensammelpunkt der
Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 und ein anderer der Modulschaltzweige A verbindet einen zweiten Eingangsanschluss 3d des Energiespeicherzellenmoduls 5 des mindestens einen Energiespeichermoduls 3 schaltbar mit dem Anodensammelpunkt der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8. Der Kathodensammelpunkt und der
Anodensammelpunkt können dann mit Speiseknoten 14a bzw. 14b einer
Gleichspannungseingangsstufe 14 gekoppelt werden.
Erfindungsgemäß enthält die Modulabgriffsschaltung 6 mindestens zwei der in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dargestellten vier Modulschaltzweige A. Ebenso sind auch Ausführungsformen der Modulabgriffsschaltung 6 möglich, bei denen weitere Energiespeichermodule 3 der Energiespeichereinrichtung 1 über entsprechende
Eingangsanschlüsse 3c und 3d verfügen und über Modulschaltzweige A mit dem ersten Speiseknoten 14a und/oder dem zweiten Speiseknoten 14b einer
Gleichspannungseingangsstufe 14 verbunden werden. Dabei sind die mit dem
Speiseknoten 14a verbundenen Modulschaltzweige A stets mit ihrer Kathode an diesem Speiseknoten 14a angeschlossen und es sind die mit dem Speiseknoten 14b
verbundenen Modulschaltzweige A stets mit ihrer Anode an diesem Speiseknoten 14b angeschlossen. Zwischen den Sammelpunkten der Vollbrückenschaltung 9 und Modulabgriffsschaltung 6 besteht daher eine Potentialdifferenz, welche durch die Gleichspannungseingangsstufe 14 - im Beispiel der Fig. 3 ein Hochsetzsteller 14 - hochgesetzt werden kann. Der Hochsetzsteller 14 kann dabei dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit von dem Potential zwischen den Sammelpunkten der Vollbrückenschaltung 9 und Modulabgriffsschaltung 6 eine Gleichspannung UZK an den Abgriffsanschlüssen 8g, 8h der
Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 bereitzustellen. Der Hochsetzsteller 14 kann beispielsweise an dem ersten Speiseknoten 14a eine Wandlerdrossel 10 und eine Ausgangsdiode 11 in Reihenschaltung aufweisen, deren Mittelpunktsabgriff ein
Stellerschaltelement 12 mit dem zweiten Speiseknoten 14b koppelt. Alternativ kann die Wandlerdrossel 10 auch zwischen dem Anodensammelpunkt und dem
Stellerschaltelement 12 vorgesehen sein, oder es können zwei Wandlerdrosseln 10 an beiden Eingangsanschlüssen des Hochsetzstellers 14 vorgesehen sein.
Das Stellerschaltelement 12 kann beispielsweise einen Leistungshalbleiterschalter aufweisen, wie zum Beispiel einen MOSFET-Schalter oder einen IGBT-Schalter.
Beispielsweise kann für das Stellerschaltelement 12 ein n-Kanal-IGBT verwendet werden, welcher im Normalzustand gesperrt ist. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jeder andere Leistungshalbleiterschalter für das Stellerschaltelement 12 ebenso eingesetzt werden kann.
Es besteht die Möglichkeit, auf das Stellerschaltelement 12 zu verzichten, oder das Stellerschaltelement 12 in einem dauerhaft sperrenden Zustand zu belassen,
insbesondere dann, wenn die Potentialdifferenz zwischen den Kathoden- und
Anodensammelpunkten stets innerhalb eines durch eine an die Abgriffsanschlüsse 8g, 8h angeschlossene weitere Komponente vorgegebenen Eingangsspannungsbereichs liegt. In diesem Fall kann in manchen Ausführungsformen auch auf die Ausgangsdiode 11 verzichtet werden.
Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 kann weiterhin einen
Zwischenkreiskondensator 13 aufweisen, welcher zwischen die Abgriffsanschlüsse 8g, 8h der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 geschaltet ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die vom Hochsetzsteller 14 ausgegebenen Strompulse zu puffern und so am Ausgang des Hochsetzstellers 14 eine geglättete Gleichspannung UZK ZU erzeugen. Über den Zwischenkreiskondensator 13 kann dann beispielsweise ein Gleichspannungswandler eines Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gespeist werden oder es kann dieses Bordnetz in bestimmten Fällen auch direkt an den Zwischenkreiskondensator 13 angeschlossen werden.
Die Gleichspannungseingangsstufe 14 kann anders als in den Fig. 3 bis 5 beispielhaft dargestellt auch durch einen anderen Gleichspannungswandler realisiert werden, beispielsweise einen Durchflusswandler in Halbbrückenschaltung oder in
Vollbrückenschaltung.
Die Anzahl der Brückenschaltzweige A in der Brückenschaltung 9 ist in Fig. 3 jeweils beispielhaft mit sechs angegeben und ist an die Anzahl der Ausgangsanschlüsse 1 a, 1 b,
1 c der Energiespeichereinrichtung 1 angepasst. Es sollte dabei klar sein, dass jede andere Anzahl von Brückenschaltzweigen A ebenso möglich ist, je nachdem, welche Phasenspannungen von der Energiespeichereinrichtung 1 erzeugt werden. Gleichermaßen kann die Modulabgriffsschaltung 6 ebenfalls mehr als jeweils zwei Modulschaltzweige A aufweisen, insbesondere dann, wenn nicht nur eines der
Energiespeichermodule 3 über die Anschlüsse 3c und 3d an die Modulabgriffsschaltung 6 angekoppelt ist. Ebenso kann es vorgesehen sein, nicht in allen
Energieversorgungszweigen Z eines der Energiespeichermodule 3 mit der
Modulabgriffsschaltung 6 zu koppeln, sondern nur in einem oder einigen. Vorzugsweise ist jeweils dasjenige der Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z der Energiespeichereinrichtung 1 mit der Modulabgriffsschaltung 6 gekoppelt, welches der Sammelschiene 2c am nächsten liegt. Dadurch ist das Referenzpotential am
Anodensammelpunkt stets genau bestimmbar.
Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 kann optional weiterhin zwei
Ladeschaltungsanschlüsse 8j und 8k aufweisen, über die eine Ladeschaltung
angeschlossen wird, welche über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse 8j und 8k in Reihe zu dem Gleichspannungswandler 14 gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, eine Ladegleichspannung für die Energiespeicherzellenmodule 5 der
Energiespeichereinrichtung 1 bereitzustellen. Ist keine Ladeschaltung an dieser Stelle vorgesehen, so sind die Ladeschaltungsanschlüsse 8j und 8k leitend miteinander verbunden. Die Fig. 8 und 9 zeigen schematische Darstellungen von Ladeschaltungen 30 bzw. 40, welche beispielsweise zum Laden eines oder mehrerer Energieversorgungszweige Z einer Energiespeichereinrichtung 1 und insbesondere für die Speisung der
Ladeschaltungsanschlüsse 8j und 8k eingesetzt werden können. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 30, welche Eingangsanschlüsse 36a, 36b aufweist, an denen eine Eingangsgleichspannung UN eingespeist werden kann. Die Eingangsgleichspannung UN kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise
Gleichspannungswandler, gesteuerte oder geregelte Gleichrichter mit
Leistungsfaktorkorrektur (PFC,„power factor correction") oder dergleichen. Die
Eingangsgleichspannung UN kann beispielsweise durch ein eingangsseitig
angeschlossenes Energieversorgungsnetz oder durch einen Reichweitenvergrößerer („Range Extender") bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 30 kann weiterhin einen Eingangskondensator 35 aufweisen, über welchem die Eingangsgleichspannung abgreifbar ist und der die Rückwirkung von pulsierenden Strömen sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung 30 oder von
Schaltvorgängen in der Ladeschaltung 30 selbst auf die Eingangsgleichspannung UN erheblich reduziert. An Ladeschaltungsanschlüssen 8j und 8k der Ladeschaltung 30 kann eine Ausgangsspannung uL der Ladeschaltung 30 abgegriffen werden, welche zum Laden einer angeschlossenen Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 3 oder eines Energieversorgungszweigs Z einer
Energiespeichereinrichtung 1 wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, dienen kann.
Die Ladeschaltung 30 weist einen Halbleiterschalter 33 und eine Freilaufdiode 39 auf, welche einen Tiefsetzsteller implementieren. Als Stellgröße für den Ladestrom lL der Ladeschaltung 30 kann beispielsweise die Ausgangsspannung der zu ladenden
Energiespeichereinrichtung 1 , beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 3 oder eines Energieversorgungszweigs der Energiespeichereinrichtung 1 wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, oder alternativ das über den Halbleiterschalter 33 implementierte Tastverhältnis des Tiefsetzstellers dienen. Es kann auch möglich sein, die über dem Eingangskondensator 35 anliegende Eingangsgleichspannung UN als Stellgröße für den Ladestrom lL zu verwenden. Der Tiefsetzsteller kann beispielsweise auch in einem Betriebszustand mit dem konstanten Tastverhältnis von 1 betrieben werden, so dass der
Halbleiterschalter 33 dauerhaft geschlossen bleiben kann. Es kann dabei auch möglich sein, auf den Halbleiterschalter 33 zu verzichten und diesen durch eine leitende
Verbindung zu ersetzen. Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 40, welche
Eingangsanschlüsse 46a, 46b aufweist, an denen eine Eingangswechselspannung uN eingespeist werden kann. Die Eingangswechselspannung uN kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Wechselrichtervollbrücken oder dergleichen. Die Eingangswechselspannung uN weist vorzugsweise einen rechteckförmigen lückenden oder nicht lückenden Verlauf und eine hohe Grundfrequenz auf. Die Eingangswechselspannung uN kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz oder einen
Reichweitenvergrößerer („Range Extender") mit nachgeschalteter Wechsel- oder
Umrichterbrücke bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 40 kann weiterhin einen Transformator 45 aufweisen, dessen Primärwicklung mit den Eingangsanschlüssen 46a, 46b gekoppelt ist. Die Sekundärwicklung des Transformators 45 kann mit einer
Vollbrückengleichrichterschaltung 44 aus vier Dioden gekoppelt sein, an deren Ausgang eine pulsierende Gleichspannung abgegriffen werden kann. Eine Variation der
Intervalllänge der pulsierenden Gleichspannung kann über eine Variation der
Zeitintervalle erfolgen, in denen die an der Primärwicklung des Transformators 45 anliegende Eingangswechselspannung uN und damit auch die entsprechende
Sekundärspannung an der Sekundärwicklung des Transformators 45 den Momentanwert 0 aufweisen. An den Ladeschaltungsanschlüssen 8j, 8k der Ladeschaltung 40 kann eine Ausgangsspannung uL der Ladeschaltung 40 abgegriffen werden, welche zum Laden beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines
Energieversorgungszweigs Z einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, dienen kann.
Die Ladeschaltung 40 weist eine Freilaufdiode 42 und einen Halbleiterschalter 43 auf, die als Tiefsetzsteller für die pulsierende Gleichspannung der
Vollbrückengleichrichterschaltung 44 dienen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, eine Wandlerdrossel 41 zur Glättung des Ladestroms lL in die Ladeschaltung 40 zu integrieren. Die Funktion einer solchen Wandlerdrossel 41 kann aber auch durch eine in der
Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 vorhandene Wandlerdrossel 10 realisiert sein, da der Eingang der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 und der Ausgang der Ladeschaltung 30 bzw. 40 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Als Stellgröße für den Ladestrom lL kann beispielsweise die Ausgangsspannung der zu ladenden
Energiespeichermodule 3 eines oder mehrerer Energieversorgungszweige Z der
Energiespeichereinrichtung 1 wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, und/oder alternativ der Gleichanteil der pulsierenden Gleichspannung am Ausgang des Vollbrückengleichrichters 44 und/oder die relative Einschaltdauer des Halbleiterschalters 43 verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann auf den Halbleiterschalter 43 ersatzlos verzichtet und dieser durch eine leitende Verbindung ersetzt werden. In diesem Fall liegt die pulsierende Ausgangsspannung des Vollbrückengleichrichters 44 unmittelbar an den Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b an und stellt somit die Ladespannung uL dar. In einer Weiterbildung dieser weiteren Ausführungsform kann zusätzlich auf die
Freilaufdiode 42 ersatzlos verzichtet werden. In diesem Fall übernehmen die Dioden der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 die Funktion der Freilaufdiode 42 zusätzlich.
Dadurch wird ein Bauelement gespart, im Gegenzug aber der Wirkungsgrad der
Ladeschaltung 40 verringert.
Mit der Energiespeichereinrichtung 1 und der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 in Fig. 3 kann bei einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine 2, welcher eine geringe Maschinenspannung erfordert, beispielsweise geringe Fahrgeschwindigkeit oder Stillstand eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, die Modulabgriffsschaltung 6 aktiviert werden, indem die entsprechenden Modulkoppelschalter 17 der Modulschaltzweige A geschlossen werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausgangsspannung der
Modulabgriffsschaltung 6 nicht unter die Spannung eines einzelnen
Energiespeichermoduls 3 absinken kann. Im Ladebetrieb, das heißt bei aktivierter Ladeschaltung 30 bzw. 40 im sogenannten Range-Extender-Betrieb, können
Modulkoppelschalter 17 der Modulschaltzweige A bzw. der Brückenschaltzweige A gesperrt werden, damit die Ausgangsspannung der Modulabgriffsschaltung 6 auch negativ werden kann.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 300 mit einer
Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung 8. Das System 300 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten System 200 im Wesentlichen darin, dass die Brückenschaltung 9 als Halbbrückenschaltung mit Kathodensammelpunkt ausgeführt ist, das heißt, dass lediglich die Phasenabgriffsanschlüsse 8a und 8b vorgesehen sind, über die Brückenschaltzweige A an die Phasenleitungen 2a, 2b der Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen sind. In der
Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 der Fig. 4 steht daher an einem
Kathodensammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 stets das jeweils momentan höchste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der über Modulschaltzweige A mit diesem
Kathodensammelpunkt gekoppelten Eingangsanschlüsse 3c von
Energiespeichermodulen 3 der Energiespeichereinrichtung 1 an. Dieser
Kathodensammelpunkt ist wiederum mit dem ersten Speiseknoten 14a verbunden. Der zweite Speiseknoten 14b ist dagegen mit der Sammelschiene 2c der
Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt. Auch in der
Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 der Fig. 4 besteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Kathodensammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und damit dem Speiseknoten 14a und dem Speiseknoten 14b, welche durch den Hochsetzsteller 14 zu einer Gleichspannung UZK hochgesetzt werden kann. Der Speiseknoten 14b ist über eine Diode 18 mit der Sammelschiene 2c bzw. dem Sternpunktanschluss der elektrischen Maschine 2 verbunden, so dass kein unerwünschter Kurzschluss über die
Modulschaltzweige A innerhalb der Energiespeichereinrichtung 1 entstehen kann. Am Speiseknoten 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 der Fig. 4 steht folglich stets das jeweils momentan niedrigste Potential der Sammelschiene 2c, bzw. der über Modulschaltzweige A mit diesem Speiseknoten 14b gekoppelten Eingangsanschlüsse 3d von Energiespeichermodulen 3 der Energiespeichereinrichtung 1 an. In gleichartiger Weise zeigt Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Systems 400 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung 8. Das System 400 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten System 200 im
Wesentlichen darin, dass die Brückenschaltung 9 als Halbbrückenschaltung mit
Anodensammelpunkt ausgeführt ist, das heißt, dass lediglich die
Phasenabgriffsanschlüsse 8d und 8e vorgesehen sind, über die Brückenschaltzweige A an die Phasenleitungen 2a, 2b der Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen sind. In der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 der Fig. 5 steht daher an einem
Anodensammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 stets das jeweils momentan niedrigste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der über Modulschaltzweige A mit diesem Anodensammelpunkt gekoppelten Eingangsanschlüsse 3d von Energiespeichermodulen 3 der Energiespeichereinrichtung 1 an. Dieser Anodensammelpunkt ist wiederum mit dem zweiten Speiseknoten 14b verbunden. Der erste Speiseknoten 14a ist in dieser
Ausführungsform dagegen mit der Sammelschiene 2c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt. Auch in der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 der Fig. 5 besteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Speiseknoten 14a und dem Anodensammelpunkt der
Halbbrückenschaltung 9 und damit dem Speiseknoten 14b, welche durch den
Hochsetzsteller 14 zu einer Gleichspannung UZK hochgesetzt werden kann. Der
Speiseknoten 14a ist über eine Diode 19 mit der Sammelschiene 2c bzw. dem
Sternpunktanschluss der elektrischen Maschine 2 verbunden, so dass kein
unerwünschter Kurzschluss über die Modulschaltzweige A innerhalb der
Energiespeichereinrichtung 1 entstehen kann. Am Speiseknoten 14a der
Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 der Fig. 5 steht folglich stets das jeweils momentan höchste Potential der Sammelschiene 2c, bzw. der über Modulschaltzweige A mit diesem Speiseknoten 14a gekoppelten Eingangsanschlüsse 3c von
Energiespeichermodulen 3 der Energiespeichereinrichtung 1 an.
Die optionalen Ladeanschlüsse 8j und 8k können statt am Speiseknoten 14b auch am Speiseknoten 14a angeordnet sein. In den Gleichspannungsversorgungsschaltungen 8 der Fig. 4 und 5 können die Dioden 18 bzw. 19 alternativ durch einen Brückenschaltzweig A ersetzt werden. Mit den Systemen 300 und 400 der Fig. 4 und 5 können in einem Betriebspunkt der elektrischen Maschine 2, welcher eine geringe Maschinenspannung erfordert, beispielsweise bei geringer Fahrgeschwindigkeit oder im Stillstand eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, die Modulabgriffsschaltungen 6 aktiviert werden, indem die entsprechenden Modulkoppelschalter 17 der Modulschaltzweige A geschlossen werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausgangsspannung der Modulabgriffsschaltung 6 nicht unter die Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls 3 absinken kann. Im Ladebetrieb, das heißt bei aktivierter Ladeschaltung 30 bzw. 40 im sogenannten Range- Extender-Betrieb, können die Modulkoppelschalter 17 der Modulschaltzweige A gesperrt werden, damit die Ausgangsspannung der Modulabgriffsschaltung 6 auch negativ werden kann.
Alle Schaltelemente der angegebenen Schaltungsanordnungen können
Leistungshalbleiterschalter umfassen, beispielsweise normal sperrende oder normal leitende n- oder p-Kanal-MOSFET-Schalter oder entsprechende IGBT-Schalter. Bei der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern mit definierter und ausreichender
Rückwärtssperrfähigkeit kann auf die entsprechenden Reihenschaltungen mit Dioden verzichtet werden.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer
Energiespeichereinrichtung 1 , wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 6 und 8 bis 9 beschrieben. Das Verfahren 20 kann beispielsweise zum Bereitstellen einer
Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung 1 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem 200, 300 oder 400 der Fig. 3, 4 bzw. 5 eingesetzt werden, insbesondere für ein Gleichspannungsbordnetz des Fahrzeugs.
In einem Schritt 21 kann zunächst ein Ermitteln der Ausgabespannung der
Energieversorgungszweige Z an den Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b der
Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen. In Abhängigkeit von der ermittelten
Ausgabespannung kann dann in Schritt 22 ein schaltendes Koppeln des ersten
Eingangsanschlusses 3c des Energiespeicherzellenmoduls 5 mindestens eines
Energiespeichermoduls 3 eines der Energieversorgungszweige Z mit dem ersten
Speiseknoten 14a und in Schritt 23 ein schaltendes Koppeln des zweiten Eingangsanschlusses 3d des Energiespeicherzellenmoduls 5 des mindestens einen Energiespeichermoduls 3 mit dem zweiten Speiseknoten 14b erfolgen. Die Schritt 22 und 23 werden insbesondere dann ausgeführt, wenn die ermittelte Ausgabespannung geringer ist als die maximale Ausgabespannung eines einzelnen Energiespeichermoduls

Claims

Ansprüche
1. System (200; 300; 400) mit einer Energiespeichereinrichtung (1) und einer
Gleichspannungsversorgungsschaltung (8), wobei die Energiespeichereinrichtung (1) mindestens zwei Energieversorgungszweige (Z) aufweist, welche an einem ersten Ausgang jeweils mit mindestens einem Ausgangsanschluss (1a, 1 b) der
Energiespeichereinrichtung (1) zur Erzeugung einer Wechselspannung an den
Ausgangsanschlüssen (1a, 1 b) und an einem zweiten Ausgang mit einer gemeinsamen Sammelschiene (2c) gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige (Z) eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen:
ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist; und
eine Koppeleinrichtung (7) mit einer Koppelbrückenschaltung aus Koppelelementen (7a, 7b, 7c, 7d), wobei die Koppelelemente (7a, 7b, 7c, 7d) dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu schalten oder in dem Energieversorgungszweig (Z) zu umgehen, und wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) aufweist:
eine Brückenschaltung (9) mit einer Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen (8a, 8b,
8c), welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1 a, 1 b) der
Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind;
zwei Speiseknoten (14a, 14b), von denen mindestens einer mit der
Brückenschaltung (9) gekoppelt ist; und
eine Modulabgriffsschaltung (6), welche mindestens zwei Modulschaltzweige (A) mit einer Kommutierungsdiode (16) aufweisen, wobei einer der Modulschaltzweige (A) einen ersten Eingangsanschluss (3c) des Energiespeicherzellenmoduls (5) mindestens eines Energiespeichermoduls (3) eines der Energieversorgungszweige (Z) schaltbar mit einem ersten der Speiseknoten (14a) und ein anderer der Modulschaltzweige (A) einen zweiten Eingangsanschluss (3d) des Energiespeicherzellenmoduls (5) des mindestens einen Energiespeichermoduls (3) schaltbar mit einem zweiten der
Speiseknoten (14b) verbindet.
2. System (200; 300; 400) nach Anspruch 1 , wobei mindestens einer der mindestens einen Modulschaltzweige (A) zusätzlich zur Kommutierungsdiode (16) einen zu dieser Kommutierungsdiode (16) in Reihe geschalteten Modulkoppelschalter (17) aufweist.
3. System (200; 300; 400) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit:
einem Gleichspannungswandler (14), welcher zwischen den ersten Speiseknoten (14a) und den zweiten Speiseknoten (14b) gekoppelt ist.
4. System (200; 300; 400) nach Anspruch 3, wobei der Gleichspannungswandler (14) einen Hochsetzsteller oder einen Durchflusswandler aufweist.
5. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die
Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8j, 8k) und eine Ladeschaltung (30; 40) aufweist, welche über die zwei
Ladeschaltungsanschlüsse (8j, 8k) in Reihe zu dem Gleichspannungswandler (14) oder direkt an die Speiseknoten (14a, 14b) gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung (30; 40) dazu ausgelegt ist, eine Ladegleichspannung für die
Energiespeicherzellenmodule (5) der Energiespeichereinrichtung (1) bereitzustellen.
6. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die
Brückenschaltung (9) eine Vielzahl von ersten Brückenschaltzweigen (A) mit einer Diode (16) oder der Reihenschaltung aus einer Diode (16) und einem
Brückenkoppelschalter (17) aufweist, welche jeweils zwischen den mit der
Brückenschaltung (9) verbundenen Speiseknoten (14a, 14b) und einen der Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen (8a, 8b) oder von zweiten Speiseanschlüssen (8d; 8e) gekoppelt sind.
7. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die
Brückenschaltung (9) einen weiteren ersten Speiseanschluss (8c) oder einen weiteren zweiten Speiseanschluss (8f) aufweist, welcher mit der Sammelschiene (2c) verbunden ist.
8. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Brückenschaltung (9) sowohl eine Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen (8a, 8b, 8c) als auch eine Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen (8d, 8e, 8f) aufweist, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1 b) oder der Sammelschiene (2c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind.
9. System (200; 300; 400) nach Anspruch 7, wobei die Brückenschaltung (9) einen weiteren Brückenschaltzweig (A) oder eine Diode (18, 19) aufweist, welcher den weiteren ersten Speiseanschluss (8c) oder den weiteren zweiten Speiseanschluss (8f) mit einem Speiseknoten (14a; 14b) verbindet.
10. System (200; 300; 400) nach Anspruch 8, wobei die Brückenschaltung (9) eine Vielzahl von ersten Brückenschaltzweigen (A) und eine Vielzahl von zweiten
Brückenschaltzweigen (A) mit jeweils einer Diode (16) oder einer Reihenschaltung aus einer Diode (16) und einem Brückenkoppelschalter (17) aufweist, wobei die ersten Brückenschaltzweige (A) jeweils zwischen einen der Vielzahl der ersten
Speiseanschlüsse (8a; 8b; 8c) und den ersten Speiseknoten (14a) geschaltet sind, und die zweiten Brückenschaltzweige (A) jeweils zwischen einen der Vielzahl der zweiten Speiseanschlüsse (8d; 8e; 8f) und den zweiten Speiseknoten (14b) geschaltet sind.
1 1. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die
Modulschaltzweige (A) das Energiespeicherzellenmodul (5) des der Sammelschiene (2c) am nächsten liegenden Energiespeichermoduls (3) eines oder mehrerer der Energieversorgungszweige (Z) schaltbar mit den ersten bzw. zweiten Speiseknoten (14a, 14b) verbinden.
12. System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , weiterhin mit:
einer n-phasigen elektrischen Maschine (2) mit n Phasenanschlüssen, welche mit den Ausgangsanschlüssen (1 a, 1 b, 1 c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, wobei n > 1.
13. System (200; 300; 400) nach Anspruch 12, wobei die n-phasige elektrische
Maschine (2) über einen herausgeführten Wicklungssternpunkt verfügt, und wobei der Wicklungssternpunkt mit der Sammelschiene (2c) verbunden ist.
14. Verfahren (20) zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einem System (200;
300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten:
Ermitteln (21) der Ausgabespannung der Energieversorgungszweige (Z) an den Ausgangsanschlüssen (1a, 1 b) der Energiespeichereinrichtung (1); und
schaltendes Koppeln (22) des ersten Eingangsanschlusses (3c) des
Energiespeicherzellenmoduls (5) mindestens eines Energiespeichermoduls (3) eines der Energieversorgungszweige (Z) mit dem ersten Speiseknoten (14a) und
schaltendes Koppeln (23) des zweiten Eingangsanschlusses (3d) des
Energiespeicherzellenmoduls (5) des mindestens einen Energiespeichermoduls (3) mit dem zweiten Speiseknoten (14b), falls die ermittelte Ausgabespannung geringer ist als die maximale Ausgabespannung eines einzelnen Energiespeichermoduls (3).
PCT/EP2014/062042 2013-06-28 2014-06-10 Energiespeichereinrichtung mit gleichspannungsversorgungsschaltung und verfahren zum bereitstellen einer gleichspannung aus einer energiespeichereinrichtung WO2014206723A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/901,447 US10186861B2 (en) 2013-06-28 2014-06-10 Energy storage device comprising a DC voltage supply circuit and method for providing a DC voltage from an energy storage device
CN201480036599.2A CN105453370B (zh) 2013-06-28 2014-06-10 具有直流电压供电电路的蓄能装置和用于从蓄能装置提供直流电压的方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013212682.4A DE102013212682B4 (de) 2013-06-28 2013-06-28 Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
DE102013212682.4 2013-06-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014206723A1 true WO2014206723A1 (de) 2014-12-31

Family

ID=50896319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/062042 WO2014206723A1 (de) 2013-06-28 2014-06-10 Energiespeichereinrichtung mit gleichspannungsversorgungsschaltung und verfahren zum bereitstellen einer gleichspannung aus einer energiespeichereinrichtung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10186861B2 (de)
CN (1) CN105453370B (de)
DE (1) DE102013212682B4 (de)
WO (1) WO2014206723A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022120021B3 (de) 2022-08-09 2023-08-03 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren und Schaltung zu einem integrierten Gleichspannungswandler in einer AC-Batterie

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10148202B2 (en) * 2015-10-16 2018-12-04 Kohler Co. Hybrid device with segmented waveform converter
DE102016008052A1 (de) * 2016-07-01 2017-02-16 Daimler Ag Energiespeichereinrichtung für einen Kraftwagen
DE102017201604A1 (de) * 2017-02-01 2018-08-02 Robert Bosch Gmbh Ladeschaltung mit Gleichspannungswandler und Ladeverfahren für ein elektrisches Energiespeichersystem
DE102017207944A1 (de) * 2017-05-11 2018-11-15 Audi Ag Batterievorrichtung mit zumindest einem Modulstrang, in welchem Moduleinheiten in einer Reihe hintereinander verschaltet sind, sowie Kraftfahrzeug und Betriebsverfahren für die Batterievorrichtung
DE102017124125A1 (de) 2017-10-17 2019-04-18 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Laden eines Energiespeichers
DE102017124122A1 (de) 2017-10-17 2019-04-18 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers
JP7160431B2 (ja) * 2018-03-29 2022-10-25 株式会社豊田中央研究所 電力伝送システム及びその制御方法
DE102018221518A1 (de) * 2018-12-12 2020-06-18 Siemens Healthcare Gmbh Hochspannungsgenerator zum Bereitstellen eines Hochspannungsimpulses
US11874331B2 (en) 2021-12-30 2024-01-16 Volvo Car Corporation Intelligent battery device and battery system
FR3142399A1 (fr) * 2022-11-28 2024-05-31 Vitesco Technologies Système électrique d’alimentation pour véhicule
FR3142398A1 (fr) * 2022-11-28 2024-05-31 Vitesco Technologies Système électrique d’alimentation pour véhicule
FR3142401A1 (fr) * 2022-11-28 2024-05-31 Vitesco Technologies Système électrique d’alimentation pour véhicule

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5642275A (en) 1995-09-14 1997-06-24 Lockheed Martin Energy System, Inc. Multilevel cascade voltage source inverter with seperate DC sources
DE102010027861A1 (de) 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Koppeleinheit und Batteriemodul mit integriertem Pulswechselrichter und im Betrieb austauschbaren Zellmodulen
DE102010027857A1 (de) 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Koppeleinheit und Batteriemodul mit integriertem Pulswechselrichter und erhöhter Zuverlässigkeit
DE102010041040A1 (de) * 2010-09-20 2012-03-22 Robert Bosch Gmbh Energieversorgungsnetz und Verfahren zum Laden mindestens einer als Energiespeicher für einen Gleichspannungszwischenkreis dienenden Energiespeicherzelle in einem Energieversorgungsnetz
US20130127251A1 (en) * 2010-02-16 2013-05-23 Infineon Technologies Ag Circuit Arrangement Including a Multi-Level Converter

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2836311Y (zh) * 2005-11-14 2006-11-08 汾西机器厂 矿用隔爆电池直流电源屏
DE102010041065A1 (de) * 2010-09-20 2012-03-22 Robert Bosch Gmbh System zum Laden eines Energiespeichers und Verfahren zum Betrieb des Ladesystems
JP5606997B2 (ja) * 2011-07-27 2014-10-15 株式会社東芝 電池セル監視回路、電池セルモジュール、電池セルモジュールを備えた自動車
DE102011086545A1 (de) * 2011-11-17 2013-05-23 Robert Bosch Gmbh Energiespeichereinrichtung, System mit Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung
DE102012202867A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 Robert Bosch Gmbh Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
DE102012202853A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 Robert Bosch Gmbh Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
DE102013212716A1 (de) * 2013-06-28 2014-12-31 Robert Bosch Gmbh Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5642275A (en) 1995-09-14 1997-06-24 Lockheed Martin Energy System, Inc. Multilevel cascade voltage source inverter with seperate DC sources
US20130127251A1 (en) * 2010-02-16 2013-05-23 Infineon Technologies Ag Circuit Arrangement Including a Multi-Level Converter
DE102010027861A1 (de) 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Koppeleinheit und Batteriemodul mit integriertem Pulswechselrichter und im Betrieb austauschbaren Zellmodulen
DE102010027857A1 (de) 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Koppeleinheit und Batteriemodul mit integriertem Pulswechselrichter und erhöhter Zuverlässigkeit
DE102010041040A1 (de) * 2010-09-20 2012-03-22 Robert Bosch Gmbh Energieversorgungsnetz und Verfahren zum Laden mindestens einer als Energiespeicher für einen Gleichspannungszwischenkreis dienenden Energiespeicherzelle in einem Energieversorgungsnetz

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022120021B3 (de) 2022-08-09 2023-08-03 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren und Schaltung zu einem integrierten Gleichspannungswandler in einer AC-Batterie

Also Published As

Publication number Publication date
US10186861B2 (en) 2019-01-22
DE102013212682A1 (de) 2014-12-31
US20160211663A1 (en) 2016-07-21
CN105453370B (zh) 2017-12-26
DE102013212682B4 (de) 2017-03-02
CN105453370A (zh) 2016-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3014725B1 (de) Energiespeichereinrichtung mit gleichspannungsversorgungsschaltung und verfahren zum bereitstellen einer gleichspannung aus einer energiespeichereinrichtung
DE102013212682B4 (de) Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung und Verfahren zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
EP2795784B1 (de) Energiespeichereinrichtung, system mit energiespeichereinrichtung und verfahren zum ansteuern einer energiespeichereinrichtung
EP1710115B1 (de) Schaltungsanordnung und Ansteuerverfahren für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit zwei Gleichstromquellen
DE102011089297B4 (de) Energiespeichereinrichtung, System mit Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung
EP3496259B1 (de) Elektrisches umrichtersystem
DE102012202867A1 (de) Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
WO2015062900A1 (de) Ladeschaltung für eine energiespeichereinrichtung und verfahren zum laden einer energiespeichereinrichtung
EP2842214B1 (de) Verfahren zum laden von energiespeicherzellen einer energiespeichereinrichtung und aufladbare energiespeichereinrichtung
DE102010064325A1 (de) System mit einer elektrischen Maschine
DE102012202853A1 (de) Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
DE102011003859A1 (de) System zum Laden eines Energiespeichers und Verfahren zum Betrieb des Ladesystems
DE102012210010A1 (de) Energiespeichereinrichtung, System mit Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung
WO2014154495A1 (de) Energiespeichereinrichtung und system mit einer energiespeichereinrichtung
DE102012202856A1 (de) Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
WO2014127871A2 (de) Interne energieversorgung von energiespeichermodulen für eine energiespeichereinrichtung und energiespeichereinrichtung mit solchem
DE102013212692A1 (de) Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung
DE102012209179A1 (de) Energiespeichereinrichtung, System mit Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung
DE102012202855A1 (de) Gleichspannungsabgriffsanordnung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
WO2013072107A1 (de) Energiespeichereinrichtung, system mit energiespeichereinrichtung und verfahren zum ansteuern einer energiespeichereinrichtung
DE102012202868A1 (de) Gleichspannungsabgriffsanordnung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
DE102014201711A1 (de) Energiespeichereinrichtung, System mit Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung
DE102013224511A1 (de) Elektrisches Antriebssystem mit Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung
WO2012163572A2 (de) Energieversorgungseinrichtung für wechselrichterschaltungen
DE102014000331A1 (de) Elektrisches System zur Einspeisung von elektrischer Energie für den Betrieb eines Elektromotors

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201480036599.2

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14728594

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14901447

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14728594

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1