DE102013212692A1

DE102013212692A1 - Energiespeichereinrichtung mit Gleichspannungsversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE102013212692A1
Application number: DE102013212692.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Braun; Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft 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 einen Brückengleichrichter auf, welcher zwei Eingangsanschlüsse, die den Brückengleichrichter in die Sammelschiene oder eine Ausgangsleitung eines Energieversorgungszweigs einkoppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse aufweist, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an zwei Speiseknoten der Gleichspannungsversorgungsschaltung auszugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung mit einer Gleichspannungsversorgungsschaltung, insbesondere für 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, 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 einen Brückengleichrichter, welcher zwei Eingangsanschlüsse, die den Brückengleichrichter in die Sammelschiene oder in eine der Ausgangsleitungen an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung einkoppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse aufweist, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an zwei Speiseknoten der Gleichspannungsversorgungsschaltung auszugeben.
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, einen Brückengleichrichter zwischen den Sternpunkt der durch die Energiespeichereinrichtung gespeisten Maschine und die Sammelschiene der Energiespeichereinrichtung einzukoppeln. Dadurch wird der Brückengleichrichter stets durch den Sternpunktstrom der elektrischen Maschine gespeist, so dass an den sekundärseitigen Abgriffen des Brückengleichrichters ständig der gleichgerichtete Sternpunktstrom fließt.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass dadurch stets ein Gleichstrom, beispielsweise zur Speisung eines Zwischenkreiskondensators des Bordnetzes aus der Energiespeichereinrichtung, vorhanden ist, egal in welchem Betriebszustand die Energiespeichereinrichtung gerade betrieben wird. Durch Steuern der Eingangsspannung eines an den sekundärseitigen Abgriffen des Brückengleichrichters angeschlossenen Gleichspannungsabnehmers kann der Energiefluss in das Bordnetz geregelt werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Gleichspannungsversorgungseinrichtung besteht darin, dass zusätzlich eine Ladeschaltung, beispielsweise von einem Reichweitenvergrößerer in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, in Reihe zu dem Gleichspannungsabnehmer gekoppelt werden kann, um über die Sternpunktverschaltung der Sammelschiene selektiv Ladeenergie in die Energiespeichermodule auch während des Versorgungsbetriebs der Energiespeichereinrichtung einzuspeisen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter vier Brückenhalbzweige aufweisen, welche jeweils eine Gleichrichterdiode aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter mit seinen beiden Eingangsanschlüssen in die Sammelschiene eingekoppelt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter mindestens zwei Brückenkoppelschalter aufweisen, welche jeweils in einen der Brückenhalbzweige in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode geschaltet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der Brückengleichrichter vier Brückenkoppelschalter aufweisen, welche jeweils in die Brückenhalbzweige in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode geschaltet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin einen Gleichspannungswandler umfassen, welcher zwischen die zwei Speiseknoten gekoppelt ist. Dabei kann der Gleichspannungswandler einen Hochsetzsteller oder einen Durchflusswandler aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwei Ladeschaltungsanschlüsse und eine Ladeschaltung aufweisen, wobei die Ladeschaltung über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse in Reihe zu den Speiseknoten gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwei Ladeschaltungsanschlüsse und eine Ladeschaltung aufweisen, wobei die Ladeschaltung über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse in Reihe zu dem Gleichspannungswandler gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen. Dabei kann die Ladeschaltung derart in Reihe zu dem Gleichspannungswandler gekoppelt sein, dass eine Ausgabespannung der Ladeschaltung entgegengesetzt zu der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers gepolt ist.
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 sind, 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 der Wicklungssternpunkt mit der Sammelschiene derart gekoppelt sein, dass die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwischen die Sammelschiene der Energiespeichereinrichtung und den Wicklungssternpunkt gekoppelt ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei zweiphasigen elektrischen Maschinen (n = 2).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung zwischen einen Ausgang der Energiespeichereinrichtung und einen Phasenanschluss der elektrischen Maschine gekoppelt sein.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen Gleichspannungswandler für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für einen Gleichspannungswandler für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für einen Gleichspannungswandler für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Ladeschaltung für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Ladeschaltung für ein System nach einer der 3 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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 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 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 1a und 1b, welche jeweils an Phasenleitungen 2a und 2b angeschlossen sind. Die Phasenleitung 2c der elektrischen Maschine 2 ist im Beispiel der 1 direkt über den Sternpunkt der Maschine 2 mit einer Sammelschiene 2c verbunden, die wiederum über einen zweiten Ausgang 1c der Energiespeichereinrichtung 1 mit Eingangsanschlüssen, vorzugsweise dem Wicklungssternpunkt, der Energieversorgungszweige Z gekoppelt ist.
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, 1b bzw. dem Ausgang 1c 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, 1b bzw. 1c der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.
Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in 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 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 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 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 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.
Beispielhaft dient das System 100 in 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 1a und 1b 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 1 gezeigt, weist an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 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 8 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.
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 die Sammelschiene 2c gekoppelt. Dabei kann die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 zwischen den Wicklungssternpunkt der elektrischen Maschine 2 sowie den zweiten Ausgang 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt werden.
In den 3 bis 5 ist beispielhaft stets die Kopplung der Gleichspannungsversorgungsschaltung zwischen die Sammelschiene 2c der Energiespeichereinrichtung 1 und den Wicklungssternpunkt der elektrischen Maschine 2 dargestellt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 mit der Energiespeichereinrichtung 1 über einen Phasenanschluss 1a, 1b zu koppeln und dabei die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 zwischen diesen Phasenanschluss 1a, 1b und den zugehörigen Phasenanschluss 2a, 2b der elektrischen Maschine 2 zu koppeln.
Die Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 weist einen Brückengleichrichter 9 auf, welcher zwei Eingangsanschlüsse 9a, 9b aufweist, die den Brückengleichrichter 9 in die Sammelschiene 2c einkoppeln. Außerdem umfasst der Brückengleichrichter 9 zwei Ausgangsanschlüsse 9c, 9d, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an den zwei Speiseknoten 14a, 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 auszugeben. An den Speiseknoten 14a, 14b kann beispielsweise ein weiterer (nicht in 3 gezeigter) Gleichspannungswandler für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeschlossen werden oder es kann – bei geeignetem Abgleich zwischen dem gleichgerichteten Ausgangsstroms der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 an den Speiseknoten 14a, 14b und dem benötigten Eingangsstrom des Bordnetzes – dieses Bordnetz direkt angeschlossen werden.
Der Brückengleichrichter 9 weist im Beispiel der 3 eine Gleichrichterschaltung mit vier Brückenhalbzweigen 6a, 6b, 6c, 6d, welche jeweils eine Gleichrichterdiode 10 aufweisen, zwei Eingangsknoten 9a, 9b und zwei Ausgangsknoten 9c, 9d auf. Die Speiseknoten 14a, 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 sind mit den Ausgangsknoten 9c, 9d des Brückengleichrichters gekoppelt. Vom Eingangsknoten 9a zum Eingangsknoten 9b des Brückengleichrichters 9 fließt der Sternpunktstrom I_sp der elektrischen Maschine 2. Vom Ausgangsknoten 9c zum Ausgangsknoten 9d des Brückengleichrichters 9 und damit vom Eingangsknoten 14a zum Eingangsknoten 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 fließt folglich der gleichgerichtete Sternpunktstrom |I_sp| der elektrischen Maschine, der folglich gleich dem Eingangsstrom I_in der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 ist.
Zwischen den Speiseknoten 14a, 14b der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 fließt somit der Strom I_in = |I_sp|, welcher durch eine Gleichspannungseingangsstufe 20 – wie in den Beispielen der 6 bis 8 gezeigt – zur Erzeugung einer Gleichspannung U_ZK genutzt werden kann.
6 beispielsweise zeigt einen Hochsetzsteller 20, der dazu ausgelegt ist, aus dem an seinen Speiseknoten 14a, 14b bereitstehenden Strom I_in an seinen Ausgangsklemmen 24a, 24b die Gleichspannung U_ZK zu erzeugen. Der Hochsetzsteller 20 kann beispielsweise eine Ausgangsdiode 21 aufweisen, welche zwischen den ersten Speiseknoten 14a und die erste Ausgangsklemme 24a gekoppelt ist. Der erste Speiseknoten 14a ist mit dem zweiten Speiseknoten 14b zudem über ein Stellerschaltelement 22. Zwischen die Ausgangsklemmen 24a, 24b des Hochsetzstellers ist zudem ein Zwischenkreiskondensator 23 gekoppelt. Der Zwischenkreiskondensator 23 kann dazu ausgelegt sein, die durch die Ausgangsdiode 21 und das Stellerschaltelement 22 erzeugten Strompulse zu puffern und so am Ausgang des Hochsetzstellers 20 eine geglättete Gleichspannung U_ZK zu erzeugen. Ist das Stellerschaltelement 22 leitend, so fließt der Eingangsstrom I_in des Hochsetzstellers 20 über dieses Stellerschaltelement 22. Der Hochsetzsteller 20 und der Brückengleichrichter 9 stellen in diesem Schaltzustand einen Kurzschluss dar, die Eingangsspannung U_in des Hochsetzstellers 20 ist gleich Null und es wird keine Energie in den Zwischenkreiskondensator 23 eingespeist. Ist das Stellerschaltelement 22 gesperrt, so muss der Eingangsstrom I_in des Hochsetzstellers 20 über die Ausgangsdiode 21 und den Zwischenkreiskondensator 23 fließen. Die Eingangsspannung U_in des Hochsetzstellers 20 ist dann gleich U_ZK gleich null und dem .Zwischenkreiskondensator 23 wird die elektrische Leistung |I_sp|·U_ZK vom Hochsetzsteller 20 zugeführt, Der Hochsetzsteller 20 kann also beispielsweise derart gesteuert werden, dass immer dann, wenn der Zwischenkreiskondensator Energie benötigt, das Stellerschaltelement 22 gesperrt wird und dass immer dann, wenn der Zwischenkreiskondensator 23 ausreichend geladen ist, das Stellerschaltelement 22 leitend geschaltet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass dem Zwischenkreiskondensator 23 über die Ausgangsdiode 21 im zeitlichen Mittel immer der Strom zufließt, der ihm über die in 6 nicht dargestellte, an den Ausgangsklemmen 24a, 24b angeschlossene Last entnommen wird. Umgekehrt stellt sich an den Speiseknoten 14a, 14b des Hochsetzstellers im zeitlichen Mittel ein der relativen Ausschaltdauer des Stellerschaltelements 22 entsprechender Bruchteil der Zwischenkreisspannung U_ZK als Gleichspannung U_in ein. Zwischen den Eingangsklemmen 9a, 9b des Brückengleichrichters 9 steht die Spannung U_in·sgn(I_sp) an.
7 und 8 zeigen weitere Beispiele für eine Gleichspannungseingangsstufe 27a bzw. 27b, welche jeweils im Gegensatz zu dem Hochsetzsteller 20 in 6 potentialtrennend ausgebildet sind. Dabei sind die Speiseknoten 14a und 14b jeweils über eine Synchronrichterschaltung mit einem Transformator 28a bzw. 28b gekoppelt. Die Gleichspannungseingangsstufe 27a in 7 umfasst dabei einen Synchronrichter 25a in Vollbrückenschaltung, welcher einen Transformator 28a primärseitig mit dem wechselgerichteten Strom I_in, also wahlweise mit dem Strom I_in, –I_in oder Null, speist, wobei der Transformator 28a wiederum einen sekundärseitigen Vollbrückengleichrichter 26a mit dem entsprechend übersetzten Wechselstrom versorgt. Der Vollbrückengleichrichter 26a lädt dann den Zwischenkreiskondensator 23 mit gepulstem Gleichstrom zu Bereitstellung der Gleichspannung U_ZK. In 8 hingegen ist die Gleichspannungseingangsstufe 27a ein Synchronrichter 25b in Halbbrückenschaltung, welcher einen Transformator 28b mit Mittelabgriff aus dem ersten Speiseknoten 14a speist. Der andere Speiseknoten 14b ist dabei mit dem primärseitigen Mittelabgriff des Transformators 28b gekoppelt. Der Transformator 28b speist wiederum sekundärseitig einen Halbbrückengleichrichter 26b, der an seinem Ausgang entweder den Strom 0 oder den entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 28b übersetzten Eingangsstrom I_in der Gleichspannungseingangsstufe 27b ausgibt. Auf diese Art kann der Zwischenkreiskondensator 23 mit den zur Bereitstellung der Gleichspannung U_ZK erforderlichen Strompulsen versorgt werden. Die Gleichspannungseingangsstufen 27a bzw. 27b in 7 und 8 bilden dabei jeweils potentialtrennende Durchflusswandler.
Die Stellerschaltelemente 22 sowie die Schaltelemente der Synchronrichter 25a, 25b können beispielsweise Leistungshalbleiterschalter aufweisen, wie zum Beispiel einen MOSFET-Schalter oder einen IGBT-Schalter. Beispielsweise können für das Stellerschaltelement 22 sowie die Schaltelemente der Synchronrichter 25a, 25b n-Kanal-IGBTs verwendet werden, welche im Normalzustand gesperrt sind. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jeder andere Typ von Leistungshalbleiterschaltern für das Stellerschaltelement 22 sowie die Schaltelemente der Synchronrichter ebenso eingesetzt werden kann.
4 und 5 zeigen Systeme 300 bzw. 400 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung. Die Systeme 300 und 400 unterscheiden sich von dem System 200 im Wesentlichen darin, dass der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 weiterhin zwei Ladeschaltungsanschlüsse 8a und 8b in Reihe zu den Speiseknoten 14a und 14b aufweist, über die eine Ladeschaltung angeschlossen werden kann. In diesem Fall ist der Speiseknoten 14b nicht mit dem Ausgangsknoten 9d des Brückengleichrichters 9 gekoppelt, sondern mit dem Ladeschaltungsanschluss 8b, und der Ausgangsknoten 9d des Brückengleichrichters 9 ist mit dem Ladeschaltungsanschluss 8a gekoppelt. Alternativ können die Ladeschaltungsanschlüsse 8a, 8b auch zwischen den Ausgangsknoten 9c des Brückengleichrichters 9 und den Speiseknoten 14a gekoppelt sein. Die Ladeschaltung kann an ihren Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b mit dem Strom I_in = |I_sp| belastet und dazu ausgelegt sein, eine Ladegleichspannung U_L bzw. eine pulsierende Ladespannung mit dem Mittelwert U_L für die Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichereinrichtung 1 bereitzustellen. Ist keine Ladeschaltung an dieser Stelle vorgesehen, so sind die Ladeschaltungsanschlüsse 8a und 8b leitend miteinander verbunden. Zudem können die Systeme 300 und 400 auch ohne Gleichspannungswandler implementiert werden, das heißt, die Speiseknoten 14a und 14b sind in diesen Fällen leitend miteinander verbunden und der Brückengleichrichter 9 dient ausschließlich der Einspeisung von Ladeenergie in die Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichereinrichtung 1.
Die Ladeschaltung ist in den Systemen 300 und 400 derart in Reihe zu dem Gleichspannungswandler gekoppelt, dass eine Ausgabespannung U_L der Ladeschaltung entgegengesetzt zu der Eingangsspannung U_ZK des Gleichspannungswandlers gepolt ist.
Im System 300 der 4 weist der Brückengleichrichter 9 mindestens zwei Brückenkoppelschalter 17 auf, welche jeweils in einen der Brückenhalbzweige 6b und 6d in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode 10 geschaltet sind. Dadurch wird es möglich, Ladeenergie in die Energiespeichereinrichtung 1 einzuspeisen, wenn die Energiespeichereinrichtung 1 nicht zur Versorgung der elektrischen Maschine 2 eingesetzt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Laden durch die Ladeschaltung im Stillstand eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit dem System 300 erfolgen soll. Hierzu gibt die Ladeschaltung an ihren Ladeschaltungsanschlüssen eine Spannung mit einem Gleichanteil U_L aus, der größer ist. Als der Gleichanteil U_in der Spannung zwischen den Speiseknoten 14a und 14b. Um einen Kurzschluss über den Brückengleichrichter 9 zu verhindern, werden die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhabzweigen 6b, 6d gesperrt, so dass der Ausgangsstrom der Ladeschaltung über die Brückenhalbzweige 6a und 6c fließen muss und sich so ein negativer Sternpunktstrom I_sp einstellt.
Damit dieser Strom auf einem gewünschten Wert gehalten wird und nicht unkontrolliert ansteigt, muss an den Energieversorgungszweigen Z der Energieversorgungseinrichtung die positive Ausgangsspannung U_L – U_in eingestellt werden, so dass den Energieversorgungszweigen Z und folglich den Energiespeichermodulen 5 elektrische Energie zugeführt wird. Im Betrieb der elektrischen Maschine 2 müssen die Brückenkoppelschalter 17 zumindest immer dann leitend geschaltet sein, wenn der Sternpunktstrom I_sp der Maschine 2 ein positives Vorzeichen aufweist. Weist der Sternpunktstrom I_sp der Maschine ein negatives Vorzeichen auf, können die Brückenkoppelschalter wahlweise leitend oder gesperrt geschaltet werden. Werden sie gesperrt geschaltet, so ist in den Zeitintervallen mit negativem Sternpunktstrom I_sp der elektrischen Maschine sogar ein Laden durch Anlegen einer Spannung an den Ladespannungsabgriffen 8a, 8b möglich, deren Gleichanteil U_L größer ist als der Gleichanteil der Spannung U_in zwischen den Speiseknoten 14a, 14b.
Alternativ können die mindestens zwei Brückenkoppelschalter 17 auch in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c jeweils in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode 10 geschaltet sein. Die Funktionsweise dieser Schaltung lässt sich aus der zuvor geschilderten Funktionsweise der Schaltung gemäß 4 leicht ableiten, es ergibt sich beim Laden nun lediglich ein positiver Sternpunktstrom I_sp und an den Energieversorgungszweigen Z muss die negative Ausgangsspannung U_in – U_L eingestellt werden, um den Sternpunktstrom I_sp auf einem gewünschten Wert zu halten.
Soll das Laden auch während des Betriebs der elektrischen Maschine 2 erfolgen, beispielsweise während der Fahrt eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, kann das System 400 der 5 eingesetzt werden. Hierbei weist der Brückengleichrichter 9 vier Brückenkoppelschalter 17 auf, welche jeweils in die Brückenhalbzweige 6a, 6b, 6c, 6d in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode 10 geschaltet sind. Übersteigt der Gleichanteil U_L der Spannung zwischen den Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b den Gleichanteil U_in der Spannung zwischen den Speiseknoten 14a, 14b, so kann durch geeignetes Schalten der Brückenkoppelschalter 17 verhindert werden, dass ein Kurzschluss über die Ausgangsknoten 9c, 9d des Brückengleichrichters 9 entsteht. Hierzu sind bei positivem Vorzeichen des Sternpunktstroms I_sp die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c zu sperren und es sind die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6b, 6d leitend zu schalten. Bei negativem Vorzeichen des Sternpunktstroms I_sp sind entsprechend die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6b, 6d zu sperren und es sind die Brückenkoppelschalter 17 in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c leitend zu schalten. im Normalbetrieb des Systems 400 sollte der Stromflusspfad für den Sternpunktstrom I_sp vom Eingangsknoten 9a zum Eingangsknoten 9b des Brückengleichrichters nicht komplett aufgetrennt werden, das heißt, dass ein Paar von Brückenkoppelschaltern in den Brückenhalbzweigen 6a, 6c bzw. 6b, 6d leitend geschaltet sein muss. Ist die Ladegleichspannung U_L kleiner als der Gleichanteil U_in der Spannung zwischen den Speiseknoten 14a, 14b oder ist die Ladegleichspannung U_L gleich 0, so können auch alle vier Brückenkoppelschalter 17 leitend geschaltet werden.
Die 9 und 10 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 8a und 8b eingesetzt werden können.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 30, welche Eingangsanschlüsse 36a, 36b aufweist, an denen eine Eingangsgleichspannung U_N angelegt werden kann. Die Eingangsgleichspannung U_N kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Gleichspannungswandler, gesteuerte oder geregelte Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC, „power factor correction“) oder dergleichen. Die Eingangsgleichspannung U_N 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 U_N 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 U_N erheblich reduziert. An Ladeschaltungsanschlüssen 8a und 8b der Ladeschaltung 30 kann eine Ausgangsspannung 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 3 bis 5 dargestellt, dienen kann. Der Ausgangsstrom I_L der Ladeschaltung 30 ist in diesem Fall gleich dem gleichgerichteten Sternpunktstrom I_in = |I_sp| der elektrischen Maschine 2. Erfolgt das Laden simultan zum Betrieb der elektrischen Maschine 2, so ist der Ausgangsstrom I_L der Ladeschaltung durch das in der elektrischen Maschine 2 eingestellte Stromsystem vorgegeben und somit eingeprägt.
Die Ladeschaltung 30 weist einen Halbleiterschalter 33 und eine Freilaufdiode 39a auf, welche einen Tiefsetzsteller implementieren. Als Stellgröße für den Ladestrom I_L der Ladeschaltung 30 kann beispielsweise die Ausgangsspannung der zu ladenden Energiespeichereinrichtung 1, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 3 oder eines Energieversorgungszweigs Z der Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 3 bis 5 dargestellt, oder alternativ das über den Halbleiterschalter 33 implementierte Tastverhältnis des Tiefsetzstellers dienen. Es kann auch möglich sein, die über dem Zwischenkreiskondensator 35 anliegende Eingangsspannung U_N als Stellgröße für den Ladestrom I_L zu verwenden, sofern diese Eingangsspannung U_N verstellbar ist. 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.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 40, welche Eingangsanschlüsse 46a, 46b aufweist, an denen eine Eingangswechselspannung eingespeist werden kann. Die Eingangswechselspannung kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Wechselrichtervollbrücken oder dergleichen. Die Eingangswechselspannung weist vorzugsweise einen rechteckförmigen lückenden oder nicht lückenden Verlauf und eine hohe Grundfrequenz auf. Die Eingangswechselspannung kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz oder einen Reichweitenvergrößerer („Range-Extender“) mit jeweils 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 und damit auch die entsprechende Sekundärspannung an der Sekundärwicklung des Transformators 45 den Momentanwert Null aufweisen. An den Ladeschaltungsanschlüssen 8a, 8b der Ladeschaltung 40 kann eine Ausgangsspannung der Ladeschaltung 40 abgegriffen werden, welche zum Laden beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 5 oder eines Zweigs einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 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 der Ladespannung in die Ladeschaltung 40 zu integrieren. Üblicherweise kann diese Wandlerdrossel auf Grund der Induktivität der ebenfalls vom Ladestrom I_L durchflossenen elektrischen Maschine aber entfallen. Als Stellgrößen für den Ladestrom I_L können beispielsweise die Ausgangsspannung der zu ladenden Energiespeichermodule 3 oder eines oder mehrerer Energieversorgungszweige Z der Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 3 bis 5 dargestellt und/oder 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 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.
Im Ladebetrieb, das heißt bei aktivierter Ladeschaltung 30 bzw. 40 im sogenannten Range-Extender-Betrieb, können einzelne Halbleiterschalter 17 des Brückengleichrichters 9 gesperrt werden, damit der Ladestrom I_L der Ladeschaltung 30 bzw. 40 stets über die momentan für eine Energiezuführung in die Energiespeichereinrichtung 1 geeigneten Ausgangsanschlüsse 1a, 1b gegen die aktuell dazwischen anstehende Spannung getrieben werden kann und kein Kurzschluss zwischen den Ausgangsknoten 9c, 9d des Brückengleichrichters 9 entsteht.
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.
Der gleichgerichtete Sternpunktstrom wird durch den Brückengleichrichter 9 der 3 bis 5 über die Speiseknoten 14a und 14b und damit über den angeschlossenen Gleichspannungswandler geleitet. Durch Steuern oder Takten der Eingangsspannung u_in an den Speiseknoten 14a, 14b kann der Energiefluss zum Gleichspannungswandler gesteuert werden.
Damit der Betrieb der elektrischen Maschine 2 durch die Energieentnahme aus der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 nicht beeinträchtigt wird, können die Ausgangsspannungen der einzelnen Energieversorgungszweige Z insgesamt um die mittlere Eingangsspannung U_in des Gleichspannungswandlers angehoben werden. Dadurch wird den Energiespeicherzellenmodulen 5 der Energiespeichereinrichtung 1 insgesamt zusätzlich die an den Speiseknoten 14a, 14b abgegriffene Leistung entnommen. In Betriebszuständen, in denen die elektrische Maschine 2 normalerweise komplett stromlos wäre, beispielsweise im Leerlauf, kann die Maschine 2 stattdessen mit einem geringen Blindstrom (cos φ ≈ 0) betrieben werden.
Bei zugeschalteter Ladeschaltung 30 bzw. 40 kann die Ladeschaltung als steuerbare Spannungsquelle betrieben werden, welche eine veränderbare bzw. taktbare Ladespannung u_L bereitstellt. Da die Ladeschaltung 30 bzw. 40 gegenüber dem Gleichspannungswandler an den Speiseknoten 14a, 14b mit gegensinniger Polung geschaltet wird, wird Energie erst dann in die Energiespeichereinrichtung 1 eingespeist, wenn der Gleichanteil U_L der Ladespannung u_L den Gleichanteil U_in der Eingangsspannung u_in des Gleichspannungswandlers übersteigt. In Abhängigkeit vom Vorzeichen des Sternpunktstroms I_sp in der Sammelschiene 2c kann dann jeweils ein Brückenkoppelschalterpaar 17 des Brückengleichrichters 9 angesteuert werden, um die Ladeenergie der Ladeschaltung 30 bzw. 40 abzüglich der von der Gleichspannungsversorgungsschaltung 8 entnommenen Energie in die Anordnung aus Energiespeichereinrichtung 1 und elektrischer Maschine 2 einzuspeisen. Wiederum kann der Betriebszustand der Energiespeichereinrichtung 1 durch entsprechendes Anheben oder Absenken der Ausgangsspannungen aller Energieversorgungszweige Z an die Ladegleichspannung U_L angepasst werden, ohne dass der Betrieb der elektrischen Maschine 2 beeinträchtigt wird.
Soll in einer Notsituation sichergestellt werden, dass die elektrische Maschine 2 kein Drehmoment abgibt, kann im System 400 der 5 ein Notzustand durch Öffnen aller Brückenkoppelschalter 17 eingestellt werden, so dass der Stromfluss über den Sternpunkt der elektrischen Maschine 2 sicher unterbunden wird. Vorzugsweise kann eine derartige Notabschaltung in einem Nulldurchgang des Sternpunktstroms erfolgen („zero current switching“).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5642275 A1 [0005]
DE 102010027857 A1 [0007]
DE 102010027861 A1 [0007]

Claims

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, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) zur Erzeugung einer Wechselspannung an den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) und an einem zweiten Ausgang (1c) 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: einen Brückengleichrichter (9), welcher zwei Eingangsanschlüsse (9a, 9b), die den Brückengleichrichter (9) in die Sammelschiene (2c) oder in eine der Ausgangsleitungen (2a, 2b) an den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) einkoppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse (9c, 9d) aufweist, welche dazu ausgelegt sind, einen gleichgerichteten Strom an zwei Speiseknoten (14a, 14b) der Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) auszugeben.
System (200; 300; 400) nach Anspruch 1, wobei der Brückengleichrichter (9) mit seinen beiden Eingangsanschlüssen (9a, 9b) in die Sammelschiene (2c) eingekoppelt ist.
System (200; 300; 400) nach Anspruch 1, wobei der Brückengleichrichter (9) vier Brückenhalbzweige (6a, 6b, 6c, 6d) aufweist, welche jeweils eine Gleichrichterdiode (10) aufweisen.
System (300; 400) nach Anspruch 3, wobei der Brückengleichrichter (9) mindestens zwei Brückenkoppelschalter (17) aufweist, welche jeweils in einen der Brückenhalbzweige (6a, 6b, 6c, 6d) in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode (10) geschaltet sind.
System (400) nach Anspruch 4, wobei der Brückengleichrichter (9) vier Brückenkoppelschalter (17) aufweist, welche jeweils in die Brückenhalbzweige (6a, 6b, 6c, 6d) in Reihe zu der jeweiligen Gleichrichterdiode (10) geschaltet sind.
System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit: einem Gleichspannungswandler (20; 27a; 27b), welcher zwischen die zwei Speiseknoten (14a, 14b) gekoppelt ist.
System (200; 300; 400) nach Anspruch 6, wobei der Gleichspannungswandler einen Hochsetzsteller (20) oder einen Durchflusswandler (27a; 27b) aufweist.
System (300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) und eine Ladeschaltung (30; 40) aufweist, wobei die Ladeschaltung (30; 40) über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) in Reihe zu den Speiseknoten (14a; 14b) gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung (30; 40) dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule (5) der Energiespeichereinrichtung (1) bereitzustellen.
System (300; 400) nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) und eine Ladeschaltung (30; 40) aufweist, wobei die Ladeschaltung (30; 40) über die zwei Ladeschaltungsanschlüsse (8a, 8b) in Reihe zu dem Gleichspannungswandler (20; 27a; 27b) gekoppelt ist, und wobei die Ladeschaltung (30; 40) dazu ausgelegt ist, eine Ladespannung für die Energiespeicherzellenmodule (5) der Energiespeichereinrichtung (1) bereitzustellen.
System (300; 400) nach Anspruch 9, wobei die Ladeschaltung (30; 40) derart in Reihe zu dem Gleichspannungswandler (20; 27a; 27b) gekoppelt ist, dass eine Ausgabespannung der Ladeschaltung (30; 40) entgegengesetzt zu der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers (20; 27a; 27b) gepolt ist.
System (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (2) mit n Phasenanschlüssen, welche mit den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, wobei n ≥ 1.
System (200; 300; 400) nach Anspruch 11, wobei die n-phasige elektrische Maschine über einen herausgeführten Wicklungssternpunkt verfügt, welcher mit der Sammelschiene (2c) verbunden ist, und wobei die Gleichspannungsversorgungsschaltung (8) zwischen den zweiten Ausgang (1c) der Energiespeichereinrichtung (1) und den Wicklungssternpunkt gekoppelt ist.