DE102012202860A1

DE102012202860A1 - Austauschbare Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: DE102012202860A1
Application number: DE102012202860A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Seubert; Steffen Berns; Peter Feuerstack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-29
Also published as: CN104115363B; WO2013124078A1; CN104115363A; US20150024240A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken. Dabei sind die Energiespeicherzellen und/oder die Energiespeicherzellenmodule austauschbar konfiguriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine austauschbare Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung mit modularem Batteriesystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug.
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 Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 offenbaren modular verschaltete Batteriezellen in Energiespeichereinrichtungen, die über eine geeignete Ansteuerung von Koppeleinheiten selektiv in den Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen zu- oder abgekoppelt werden können. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Battery Direct Converter (Batteriedirektwandler, BDC) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in einem Energiespeichermodulstrang, welche an einen Gleichspannungszwischenkreis zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Netzes über einen Pulswechselrichter anschließbar sind.
Der Energiespeichermodulstrang weist 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. Optional 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.
BDCs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus dem Energieversorgungsstrang herausgeschaltet werden können. Die Gesamtausgangsspannung des 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 Gesamtausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller Energiespeichermodule des Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.
Zur Einstellung einer Ausgangsspannung eines Energiespeichermoduls kann eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Ansteuerung der Koppeleinheiten erfolgen. Dadurch ist es möglich, durch gezielte Variation der Ein- bzw. Ausschaltzeiten einen gewünschten Mittelwert als Energiespeichermodulspannung auszugeben.
Die in den Energiespeichermodulen verbauten Energiespeicherzellen sind alterungs- und verschleißbedingten Verschlechterungen in Leistung, Ladekapazität und/oder Ausgangsspannung unterworfen, so dass die Energiespeicherzellen nach einer gewissen Betriebsdauer ausgetauscht werden müssen. Insbesondere bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann dieses Austauschen einen erheblichen Kostenfaktor darstellen.
Die Druckschrift US 2011/0064981 A1 offenbart ein modulares Batteriesystem, zum Beispiel für ein Elektroauto, bei dem einzelne Batteriezellen eines fachartig angeordneten Koppelsystems bei Bedarf ausgetauscht werden können.
Für BDCs jedoch besteht ein Bedarf an Austauschkomponenten, die nach einem Ende der Lebensdauer eines bestehenden BDC problemlos und flexibel an das bestehende Gesamtsystem angepasst werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken. Dabei sind die Energiespeicherzellen und/oder die Energiespeicherzellenmodule austauschbar konfiguriert.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Systemkomponente, mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, und einer Koppelinduktivität, welche mit einem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer erfindungsgemäßen austauschbaren Systemkomponente, einem Gleichspannungszwischenkreis, welcher mit der Energiespeichereinrichtung der austauschbaren Systemkomponente gekoppelt ist, einem Pulswechselrichter, welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, und welcher aus dem Gleichspannungszwischenkreis mit einer Eingangsspannung gespeist wird, einer elektrischen Maschine, welche mit dem Pulswechselrichter gekoppelt ist, und welche von dem Pulswechselrichter mit einer Phasenspannung versorgt wird; und einer Steuereinrichtung, welche mit den Koppeleinrichtungen gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen der Energiespeichereinrichtung zum Bereitstellen einer Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung selektiv anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung eines elektrischen Systems, mit den Schritten des Abkoppelns einer ersten Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, von einem Gleichspannungszwischenkreis des Systems, des Anschließens einer zweiten Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, an den Gleichspannungszwischenkreis des Systems, und des Ansteuerns der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichereinrichtung.
Vorteile der Erfindung
Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine modular aufgebaute Energiespeichereinrichtung mit in einem oder mehreren Strängen seriell verschalteter Batteriezellen als Ersatzkomponente bereitzustellen, die flexibel an das Verhalten der auszutauschenden Energiespeichereinrichtung adaptiert werden kann. Dazu weist die Energiespeichereinrichtung einzelne Energiespeichermodule mit mehreren Energiespeicherzellen auf, die über eine an die Energiespeichereinrichtung angeschlossene oder in die Energiespeichereinrichtung integrierte Steuereinrichtung selektiv in die Stränge verschaltet werden können. Dabei kann die Steuereinrichtung die Betriebsparameter der in die Energiespeichereinrichtung eingebauten Energiespeicherzellen mit den für das Gesamtsystem relevanten technischen Gegebenheiten vergleichen, und durch geeignete Steuerung der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule ein entsprechendes Betriebsverhalten der Austausch-Energiespeichereinrichtung emulieren.
Dies hat den Vorteil, dass nur eine Bauart von austauschbaren Energiespeichereinrichtungen als Ersatz vorgehalten werden muss, die flexibel für verschiedene Anwendungen konfiguriert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit der austauschbaren Energiespeichereinrichtung die jeweils aktuelle Energiespeicherzelltechnologie verwendet werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass die aktuellen Energiespeicherzellen inkompatibel zu dem älteren Austauschsystem sein könnten.
Ferner ist es vorteilhafterweise möglich, Energiespeicherzellen zeitnah nach Bedarf zu produzieren. Da Energiespeicherzellen auch „kalendarisch“ altern, das heißt, mit der Zeit auch ohne Benutzung Speicherkapazität einbüßen, ist es mit der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung nicht notwendig, mit der Energiespeichereinrichtung kompatible Energiespeicherzellen auf Vorrat zu produzieren. Stattdessen können in der Energiespeichereinrichtung auf flexible Art und Weise jeweils zeitnah neu produzierte Energiespeicherzellen an das Austauschsystem angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen dazu ausgelegt sein, die Energiespeicherzellenmodule aller Energiespeichermodulen in dem Energieversorgungsstrang zu überbrücken, wenn die Energiespeichereinrichtung nicht im Betrieb ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen dazu ausgelegt sein, die Energiespeicherzellenmodule aller Energiespeichermodule in dem Energieversorgungsstrang zu überbrücken, wenn die Energiespeichereinrichtung nicht im Betrieb ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen Leistungs-MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Ermittelns der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der ersten Energiespeichereinrichtung, und des Emulierens der ermittelten Betriebsparameter durch entsprechendes Ansteuern der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichereinrichtung umfassen.
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:
1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer austauschbaren Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach 1;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach 1; und
4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung in einem System gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein System 100 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 100 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschaltet sind. Der Energieversorgungsstrang ist zwischen zwei Ausgangsanschlüsse 1a und 1b der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, die jeweils an einen Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt sind. Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 6 verwendet wird.
Dazu ist die Energiespeichereinrichtung 1 über eine Koppelinduktivität 2a mit dem Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt. Die Koppelinduktivität 2a kann beispielsweise eine gezielt zwischen den Gleichspannungszwischenkreis 2b und den Ausgangsanschluss 1a der Energiespeichereinrichtung 1 geschaltete induktive Drossel sein. Alternativ kann es auch möglich sein, dass die Koppelinduktivität 2a durch ohnehin vorhandene parasitäre Induktivitäten in der Verschaltung zwischen Energiespeichereinrichtung 1 und Gleichspannungszwischenkreis 2b gebildet wird.
Der Gleichspannungszwischenkreis 2b speist einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 2b eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt.
Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 8 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b bereitzustellen. Zudem kann die Steuereinrichtung 8 dazu ausgelegt sein, bei einem Laden der Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung 1 die jeweiligen Koppelelemente bzw. aktiven Schaltelemente der Energiespeichereinrichtung 1 anzusteuern.
Der Energieversorgungsstrang der Energiespeichereinrichtung 1 weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 in 1 vier, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Modulausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Modulausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu der Gesamtausgangsspannung, welche an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt wird.
Zwei beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a, 7c sowie 7b 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 Zellen 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den in 2 und 3 gezeigten Energiespeichermodulen 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist. Die Energiespeicherzellenmodule 5 weisen eine Klemmenspannung von U_M auf und sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. An den Eingangsklemmen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 liegt also die Spannung U_M an.
In 2 bilden die in Reihe geschalteten Koppelelemente 7a und 7c, deren Mittelabgriff mit der Ausgangsklemmen 3a verbunden ist, den so genannten linken Zweig der Vollbrücke und es bilden die in Reihe geschalteten Koppelelemente 7b und 7d, deren Mittelabgriff mit der Ausgangsklemme 3b verbunden ist, den so genannten rechten Zweig der Vollbrücke. Die Koppeleinrichtung 7 ist in 2 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 ausgebildet sind, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen.
Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mit Hilfe der in 1 dargestellten Steuereinrichtung 9, dass das jeweilige Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Mit Bezug auf 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. In diesem Fall liegt zwischen den Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung U_M an. 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 beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schalter der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden. In beiden Überbrückungszuständen liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung 0 an. Ebenso kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 geschaltet werden, indem die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung –U_M an.
Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung des Energieversorgungsstrangs integriert werden. Dadurch kann durch eine gezielte Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7 zum selektiven Schalten der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 in den Energieversorgungsstrang eine Gesamtausgangsspannung bereitgestellt werden, die von den einzelnen Ausgangsspannungen der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 abhängig ist. Die Gesamtausgangsspannung kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 skaliert. Bei einer Anzahl von n Energiespeichermodulen 3 kann die Gesamt-Ausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs in 2n + 1 Stufen zwischen –n·U_M, ..., 0, ..., +n·U_M eingestellt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltungsform für ein Energiespeichermodul 3. Dabei umfasst die Koppeleinrichtung 7 nur die Koppelelemente 7a und 7c, die als Halbbrückenschaltung das Energiespeicherzellenmodul 5 entweder in einen Überbrückungszustand oder einen Schaltzustand in Vorwärtsrichtung in den Energieversorgungsstrang geschaltet werden können. Im Übrigen gelten ähnliche Ansteuerregeln wie im Zusammenhang mit 3 für das dort gezeigte Energiespeichermodul 3 in Vollbrückenschaltung erläutert.
Die Energiespeichereinrichtung 1 in 1 ist als austauschbare Systemkomponente 9 konfiguriert. Dabei kann die austauschbare Systemkomponente 9 beispielsweise auch die Koppelinduktivität 2a umfassen. Wenn die bisherige (alte) Energiespeichereinrichtung 1 aufgrund von alterungs-, störungs- und/oder betriebsbedingten Effekten ihre Funktionalität nicht mehr erfüllen kann, beispielsweise weil die Speicherkapazität nicht mehr ausreicht, kann eine Ersatz-Energiespeichereinrichtung als neue Energiespeichereinrichtung 1 in das System 100 eingesetzt werden. Dazu wird die Systemkomponente 9 im Gesamten ausgetauscht und die Systemkomponente 9 mit der neuen Energiespeichereinrichtung 1 an den Gleichspannungszwischenkreis 2b sowie die Steuereinrichtung 8 über die Steuerleitung 8d angeschlossen.
Es kann alternativ auch möglich sein, dass die Systemkomponente 9 die Steuereinrichtung 8 als in die Systemkomponente 9 integrierte Steuereinrichtung 8 aufweist. Gleichermaßen kann es auch möglich sein, dass die Koppelinduktivität 2a nicht Teil der Systemkomponente 9 ist, sondern eine in das System 100 integrierte Komponente darstellt.
In der Energiespeichereinrichtung 1 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 oder alternativ die Energiespeicherzellen 5a bis 5k selbst austauschbar sein, das heißt, dass die Energiespeichereinrichtung 1 lediglich die Energiespeichermodule 3 mit den Koppeleinrichtungen 7 aufweist und die Energiespeicherzellenmodule 5 bzw. die Energiespeicherzellen 5a bis 5k bei einem Einsatz der Energiespeichereinrichtung 1 bedarfsgemäß in die Energiespeichermodule 3 eingesetzt bzw. eingebaut werden. Das bedeutet, dass die Energiespeicherzellenmodule 5 bzw. die Energiespeicherzellen 5a bis 5k nicht auf Vorrat produziert werden müssen. Dadurch kann stets auf die aktuelle Speicherzelltechnologie zurückgegriffen werden. Überdies können die Energiespeicherzellen 5a bis 5k zu dem Zeitpunkt produziert werden, zu dem sie tatsächlich benötigt werden, um die Einflüsse einer kalendarischen Alterung zu reduzieren.
Für die Energiespeichereinrichtung 1 können mindestens so viele Energiespeichermodule 3 vorgesehen werden, dass für alle möglichen Anwendungen die Mindestspannung der auszutauschenden Energiespeichereinrichtung 1 durch Verwenden aller Energiespeichermodule 3 noch erreicht werden kann. Für den Fall, dass die erforderliche Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 des Austauschsystems geringer als die maximal mögliche Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 ist, kann eine Auswahl unter den zuzuschaltenden Energiespeichermodulen 3 getroffen werden, um die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an das Austauschsystem anzupassen. Um die Belastung auf die Energiespeichermodule 3 gleichmäßig zu verteilen, kann dann ein periodisches Auswechseln der zuzuschaltenden Energiespeichermodule 3 erfolgen.
Die Steuereinrichtung 8 kann die Art und die technischen Parameter der eingesetzten Energiespeicherzellenmodule 5 bzw. der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in der Energiespeichereinrichtung 1 ermitteln, um die entsprechende Ansteuerstrategie der jeweiligen Koppeleinrichtungen 7 festzulegen. Ist beispielsweise eine Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 erforderlich, die mit der Abstufung der einzelnen Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 nicht darstellbar ist, kann die Steuereinrichtung 3 eines oder mehrere der Energiespeichermodule 3 in einem pulsbreitenmodulierten (PWM-)Betrieb ansteuern, so dass über das periodische Zu- und Wegschalten einzelner Energiespeichermodule 3 im zeitlichen Mittel die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann. Die Koppelinduktivität 2a kann dabei helfen, die Stromschwankungen zwischen der Energiespeichereinrichtung 1 und dem Gleichspannungszwischenkreis zu verringern bzw. zu unterdrücken.
Für das Laden der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. der Energiespeicherzellen 5a bis 5k kann die Steuereinrichtung 8 die Spannung der Energiespeichereinrichtung 1 derart reduzieren, dass die Maximalspannung der ausgetauschten Batterie des Austauschsystems nicht überschritten wird. Die Energiespeichermodule 3 können dabei durch ein periodisches Wechselverfahren im zeitlichen Mittel gleichmäßig geladen werden.
Wenn die Systemkomponente 9 mit Energiespeicherzellen 5a bis 5k gelagert wird, das heißt, nicht in einem System 100 verbaut ist, können die Koppeleinrichtungen 7 derart eingestellt sein, dass die Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem Energieversorgungsstrang stets überbrückt werden. Dadurch ist die nach außen hin verfügbare Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. der Systemkomponente 9 Null. Die höchste, intern in der Energiespeichereinrichtung 1 vorhandene Spannung ist dabei die Ausgangsspannung eines einzelnen Energiespeichermoduls 3. Dadurch sinkt die Gefahr durch Stromschläge bei der Handhabung der Systemkomponenten 9 durch Nutzer.
Sollte eines der Energiespeichermodule 3 defekt oder gestört sein, kann die Steuereinrichtung 8 dieses Energiespeichermodul 3 bei der Auswahl der im Betrieb zuzuschaltenden Energiespeichermodule 3 nicht mehr berücksichtigen. Damit sinkt die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Systemkomponente 9, da auch bei einem Defekt einzelner Energiespeichermodule 3 die Energiespeichereinrichtung 1 im Gesamten nutzbar bleibt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 40 zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise der Energiespeichereinrichtung 1 in 1. Das Verfahren 40 kann als ersten Schritt 41 ein Abkoppeln einer ersten Energiespeichereinrichtung von einem Gleichspannungszwischenkreis des Systems umfassen. Die erste Energiespeichereinrichtung kann dabei eine Energiespeichereinrichtung 1 wie in 1 dargestellt sein. Daraufhin kann in einem Schritt 42 ein Anschließen einer zweiten Energiespeichereinrichtung an den Gleichspannungszwischenkreis des Systems erfolgen. Die zweite Energiespeichereinrichtung kann topologisch genauso wie die erste Energiespeichereinrichtung aufgebaut sein.
In einem Schritt 43 kann dann ein Ansteuerns der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichereinrichtung erfolgen. Dabei kann auf die jeweilige Technologie der verbauten Energiespeicherzellenmodule bzw. Energiespeicherzellen Rücksicht genommen werden.
Optional können in einem Schritt 44 die Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der ersten Energiespeichereinrichtung ermittelt werden. Diese Betriebsparameter können in einem optionalen Schritt 45 durch entsprechendes Ansteuern der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichereinrichtung emuliert werden, indem die Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichereinrichtung berücksichtigt werden. Dadurch kann die Ersatz-Energiespeichereinrichtung an das Austauschsystem angepasst werden, auch wenn die Art und die technische Auslegung der neuen Energiespeicherzellenmodule bzw. Energiespeicherzellen nicht mit den auszutauschenden Energiespeicherzellenmodule bzw. Energiespeicherzellen übereinstimmt.
Das Verfahren 40 eignet sich zum Bereitstellen von Ersatz-Energiespeichereinrichtungen für verschiedene Anwendungen, bei denen Batteriezellen zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine elektrische Last dienen. Beispielsweise kann das Verfahren 40 zum Austausch von Energiespeichereinrichtungen in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010027857 A1 [0004]
DE 102010027861 A1 [0004]
US 2011/0064981 A1 [0009]

Claims

Energiespeichereinrichtung (1), mit: einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3), welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist, und eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a, 7b; 7c, 7d), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, wobei die Energiespeicherzellen (5a, 5k) und/oder die Energiespeicherzellenmodule (5) austauschbar konfiguriert sind.
Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinrichtungen (7) Leistungs-MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen.
Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Koppeleinrichtungen (7) dazu ausgelegt sind, die Energiespeicherzellenmodule (5) aller Energiespeichermodule (3) in dem Energieversorgungsstrang zu überbrücken, wenn die Energiespeichereinrichtung (1) nicht im Betrieb ist.
Systemkomponente (9), mit: einer Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und einer Koppelinduktivität (2a), welche mit einem Ausgangsanschluss (1a) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist.
System (100), mit: einer austauschbaren Systemkomponente (9) nach Anspruch 4; einem Gleichspannungszwischenkreis (2b), welcher mit der Energiespeichereinrichtung (1) der austauschbaren Systemkomponente (9) gekoppelt ist; einem Pulswechselrichter (4), welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis (2b) gekoppelt ist, und welcher aus dem Gleichspannungszwischenkreis (2b) mit einer Eingangsspannung gespeist wird; einer elektrischen Maschine (6), welche mit dem Pulswechselrichter (4) gekoppelt ist, und welche von dem Pulswechselrichter (4) mit einer Phasenspannung versorgt wird; und einer Steuereinrichtung (8), welche mit den Koppeleinrichtungen (7) gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen (7) der Energiespeichereinrichtung (1) zum Bereitstellen einer Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung (1) selektiv anzusteuern.
Verfahren (40) zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung (1) eines elektrischen Systems (100), mit den Schritten: Abkoppeln (41) einer ersten Energiespeichereinrichtung (1) mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3), welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist, und eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a, 7b; 7c, 7d), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, von einem Gleichspannungszwischenkreis (2a) des Systems (100); Anschließen (42) einer zweiten Energiespeichereinrichtung (1) mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3), welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist, und eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a, 7b; 7c, 7d), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, an den Gleichspannungszwischenkreis (2a) des Systems (100); und Ansteuern (43) der Koppelelemente (7a, 7b; 7c, 7d) der Koppeleinrichtungen (7) der zweiten Energiespeichereinrichtung (1) in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule (5) und/oder der Energiespeicherzellen (5a, 5k) der zweiten Energiespeichereinrichtung (1).
Verfahren (70) nach Anspruch 6, weiterhin mit den Schritten: Ermitteln (44) der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule (5) und/oder der Energiespeicherzellen (5a, 5k) der ersten Energiespeichereinrichtung (1); und Emulieren (45) der ermittelten Betriebsparameter durch entsprechendes Ansteuern der Koppelelemente (7a, 7b; 7c, 7d) der Koppeleinrichtungen (7) der zweiten Energiespeichereinrichtung (1) in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule (5) und/oder der Energiespeicherzellen (5a, 5k) der zweiten Energiespeichereinrichtung (1).