WO2012136395A1 - Batteriedirektumrichter in ringkonfiguration - Google Patents

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WO2012136395A1
WO2012136395A1 PCT/EP2012/051440 EP2012051440W WO2012136395A1 WO 2012136395 A1 WO2012136395 A1 WO 2012136395A1 EP 2012051440 W EP2012051440 W EP 2012051440W WO 2012136395 A1 WO2012136395 A1 WO 2012136395A1
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storage cell
modules
phase
ring switching
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PCT/EP2012/051440
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Volker Schueren
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery direct converter with energy storage modules, which are arranged in a ring configuration, for feeding an electric machine.
  • Wind turbines it may in unfavorable conditions, such. strong Wnd, even come to safety-threatening situations. Therefore, it is always high
  • Battery module strands have a plurality of series-connected Battery modules, wherein each battery module has at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows depending on control signals to interrupt the respective battery module strand, or to bridge the respectively associated at least one battery cell, or the respectively associated at least one battery cell in the respective Battery module strand to switch.
  • control of the coupling units for example by means of pulse width modulation, suitable phase signals for controlling the electrical machine can also be provided so that a separate pulse inverter can be dispensed with.
  • document US 5,642,275 discloses a drive system for a three-phase electric machine with cascaded inverters, each of which is assigned a single battery cell.
  • the document US 6,577,087 B2 discloses a multi-stage drive system with a pulse inverter and a strand of selectively bridgeable battery cells for
  • JP 2000-0341964 A also discloses a drive system with multi-stage switchable supply voltage.
  • the present invention provides an inverter for supplying an n-phase electric machine, where n> 2, having a plurality of energy storage modules arranged in series in a loop, each of the plurality of energy storage modules having a first terminal and a second Connection, an energy storage cell, which at least one
  • Energy storage cell to connect to a first terminal of the energy storage module switchable, and a first coupling device which is adapted to connect a node between the second terminal and the energy storage cell switchably connected to one of the phase lines of the electric machine comprises.
  • the present invention provides a system an inverter according to the invention and an n-phase electric machine, wherein n> 2, which is connected via n phase lines respectively to the first coupling means of the plurality of energy storage modules of the inverter.
  • the present invention provides a method for operating a system according to the invention. The method includes the steps of opening one of the ring switching devices of the plurality of energy storage modules while simultaneously closing the remaining ring switching devices, and selectively driving the first coupling devices to connect the n phase lines to each of the plurality of energy storage modules.
  • An idea of the invention is to provide a battery powered drive system which can provide a stepped supply voltage to an n-phase electric machine.
  • energy storage modules are arranged in a ring, which at freely selectable locations on switching devices in a chain of
  • Energy storage modules can be separated. Thereby can
  • Energy storage cells which are arranged in the energy storage modules are variably connected in the chain for supplying power to phase lines of the electric machine.
  • This topology also allows a uniform load of all
  • Energy storage cells can be achieved.
  • the system is against a failure or defect of a single
  • Energy storage cells is very low in the system according to the invention, whereby a space-saving and cost-effective design is possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a
  • Fig. 1a is a schematic representation of an energy storage module of the system in Fig. 1 in greater detail according to another embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of another embodiment of a system according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a method for operating a system according to the invention according to a further embodiment.
  • Fig. 1 shows an electric drive system 10 for supplying an electric machine 1 1 with a supply voltage.
  • the electric machine 1 1 is an n-phase machine with n> 2.
  • the electric drive system 10 therefore comprises n phase lines 1 1... 1 1 n, of which two phase lines 1 1 a and 1 1 n are shown by way of example in FIG are.
  • To supply the electrical machine with electricity is a
  • Ring line 1 is provided in which a number m energy storage modules 2a ... 2m in series of which in Fig. 1 by way of example three energy storage modules 2a, 2b, 2m are shown.
  • the number of energy storage modules 2a ... 2m is arbitrary.
  • the energy storage modules 2a... 2m are each connected via supply connections 3a... 3n to the n phase lines 11a... 11n.
  • the phase line 1a is connected to each of the energy storage modules 2a, 2b, 2m via a respective supply terminal 3a.
  • the number of supply connections 3a... 3n depends on the number of phase lines 11a... 11n.
  • FIG. 1 a the structure of an energy storage module 2 is shown in greater detail.
  • the energy storage modules 2a... 2m of FIG. 1 can be constructed like the energy storage module 2 shown in FIG.
  • the energy storage module 2 comprises a first connection 4a and a second connection 4b. Furthermore, this includes
  • the energy storage cell 6 may include at least one energy storage, such as a battery. It can be provided that in the energy storage cell 6 more
  • the energy storage module 2 further comprises a switching device 5, which connects the first terminal 4a of the energy storage module 2 switchable with the energy storage cell 6.
  • the switching device 5 can also be referred to as a ring switching device 5, since it interrupts in the open state the ring, which is formed by the ring line 1 via all energy storage modules 2.
  • the energy storage module 2 further comprises a node 7, which between the second terminal 4b and the
  • Energy storage cell 6 is arranged. Connected to the node 7 is a coupling device 8, which connects the supply connections 3a... 3n of the energy storage module 2 to the node 7.
  • the coupling device 8 can, for example
  • Switching devices comprise, which each of the phase lines 11 a ... 1 1 n via the supply terminals 3a ... 3n separately and independently connected switchable with the node 7 can.
  • an inverter which supplied one of the energy storage cells 6 DC voltage via an active control of the coupling devices 8 in an AC voltage for can transform an electric machine.
  • the granularity of the implementation of the digital drive signals for the coupling devices 8 of the energy storage modules 2 in an analog output AC voltage depends, inter alia, on the number of energy storage modules 2 used or the energy storage cells 6 used and the clock rate of the control of the coupling devices 8.
  • the drive system 20 corresponds to the configuration of the drive system 10 shown in FIG. 1.
  • the drive system 20 is used, for example, to generate three-phase current for a three-phase electrical machine 1 1 having three phase lines 11 a, 1 1 b, 1 1c, which can also be denoted by U, V and W.
  • the drive system 20 comprises, by way of example, four energy storage modules 2 a, 2 b, 2 c, 2 d, which are connected in series in the ring line 1.
  • Each of the energy storage modules 2a, 2b, 2c, 2d comprises a ring switching device 5a, 5b, 5c, 5d, an energy storage cell 6a, 6b, 6c, 6d and coupling devices for coupling the energy storage modules 2a, 2b, 2c, 2d with the respective phase lines 11 a , 11b, 1 1c.
  • the coupling devices each comprise three per energy storage module
  • the energy storage module 2a includes the switching devices 21a, 21b and 21c, wherein the switching device 21a switchably connects the phase line 11 a with the ring line 1 in the energy storage module 2a, the switching device 21 b the phase line 1 1 b switchable with the ring line 1 in the energy storage module 2a connects and the switching device 21 c, the phase line 1 1c switchable with the
  • Ring line 1 connects in the energy storage module 2a. Analog have the
  • Energy storage modules 2b, 2c, 2d respectively switching devices 22a, 22b, 22c, 23a, 23b, 23c and 24a, 24b and 24c.
  • the ring switching devices 5a, 5b, 5c, 5d are used to interrupt the ring line 1 at a suitable location, so that in each case a chain of the power supply modules 2a, 2b, 2c, 2d arises.
  • the switching devices of the coupling devices of the energy storage modules 2a, 2b, 2c, 2d can be controlled so that only one switching device is closed per phase line 11a, 11b, 11c.
  • phase lines 1 1a, 1 1 b, 1 1c a supply voltage from the respective closed switching device of the coupling devices and the point of interruption the ring line 1 through the respective ring switching device 5a, 5b, 5c, 5d is dependent.
  • a supply voltage from the respective closed switching device of the coupling devices and the point of interruption the ring line 1 through the respective ring switching device 5a, 5b, 5c, 5d is dependent.
  • Switching adjustment of the switching devices can be realized, so that in the time average, an intermediate value of the output voltage is applied to the respective phase lines.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a drive system 30, which differs from the drive system 20 shown in FIG. 2 only in that one of the energy supply modules, shown by way of example in FIG. 3, the energy supply module 2d is equipped with an additional coupling device.
  • the additional coupling device The additional
  • Coupling device connects a node between the ring switching device 5d and the energy storage cell 6d of the power supply module 2d with the
  • Phase lines 1 1a, 1 1 b, 1 1c Phase lines 1 1a, 1 1 b, 1 1c.
  • switching devices 34a, 34b and 34c may be provided for this purpose, which each connect one of the phase lines 1a, 1b and 11c to the ring line 1 in the energy supply module 2d.
  • the switching devices 34a, 34b and 34c can be controlled similarly to the coupling devices in FIG. They offer the advantage that even the energy storage cell 6d in the formation of the difference between the supply voltages of two
  • Phase lines 11 a, 11 b, 1 1 c can be considered if the
  • Ring switching device 5d is the opened ring switching device.
  • the system 30 it is possible with the system 30 to achieve a (2m + 1) -step output voltage setting, here by way of example in nine stages, compared to only one (2m-1) -step with the system 20 in FIG.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a method 40 for operating an electric drive system of one of the FIGS. 1, 2 or 3.
  • a first step 41 one of the ring switching devices of the energy storage modules is opened, while the others are closed in each case, around the ring line 1 to interrupt a site and provide a chain of power modules.
  • a second step 41 one of the ring switching devices of the energy storage modules is opened, while the others are closed in each case, around the ring line 1 to interrupt a site and provide a chain of power modules.
  • the coupling devices can be controlled to produce a desired output voltage for the electric machine to the phase lines.
  • a step 43 it can be checked whether the setting of the ring switching devices should be changed. This can be done depending on the setting of the drive system. For example, it can be provided that always the same ring switching device should be opened, for example in the system 30 of FIG. 3, when the maximum output voltage is needed, which can be achieved only when opening the ring switching device 5d. In this case, the method returns to the checking step
  • a step 44 the check is made as to whether the system is still in the normal operating state, that is, whether all
  • the ring switching device to be opened in step 41 can be changed in a step 45. It may be possible to adhere to a fixed sequence of the ring switch device change in step 45 in order to maximize one to achieve a uniform load on the energy storage cells over a longer period of time. The period with which the ring switching device is changed, it can be much longer than a switching period of the coupling devices of
  • Energy storage modules for generating a sine wave of the output voltage.
  • Switching means for the three phase lines in relation to each other remains the same, but is moved along the chain between the ends.
  • step 44 If, however, it should be determined in step 44 that one of the energy storage cells or one of the energy storage modules is not in a normal operating state, for example defective, disturbed or failed, it may be provided to select between two alternative emergency operating states in a step 46.
  • the selection may depend, for example, on the desired output voltage.
  • step 47 the change of
  • the ring switching device which is located in the energy storage module with the defective energy storage cell can be permanently selected as the ring switching device to be opened in step 41.
  • the defective energy storage cell is permanently at the negative pole, which means that it is never integrated into the supply chain.
  • the additional switching devices 34a, 34b, 34c are correspondingly driven in order to reliably keep the energy storage cell 6d out of the energy supply chain.
  • the defective ones may be provided
  • Energy storage cell in the chain to bridge it may be provided that open the defective energy storage cell associated ring switching device in addition to the openable for the interruption of the ring line 1 ring switching device and to bridge the defective energy storage cell using two coupling devices via one of the phase lines. If, for example, the energy storage cell 5c is defective, the ring switching device 5c can additionally be opened. So that the circuit is closed again, a bridging of the energy storage cell 5c via one of the phase lines 1 1a, 1 1 b, 1 1c done. For example, the switching devices 24a and 23a can be permanently closed.
  • the current flows from the (intact) energy storage cell 6d via the switching device 24a, the phase line 1a and the switching device 23a to the ring switching device 5b, whereby the opened ring switching device 5c and the defective energy storage cell 6c have been bridged.
  • the phase line 1 1a can not be controlled in this case for a change in the output voltage, because except the
  • Switching devices 24a and 23a no more switching device to the phase line 1 1a may be closed more.
  • the maximum output voltage is thus at a bridging a defective energy storage cell on the appropriate

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einem Wechselrichter zum Versorgen einer n-phasigen elektrischen Maschine (11), wobei n ≥ 2, mit einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (2a, 2b, 2c, 2d), welche in Reihenschaltung in einer Ringleitung (1) angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Energiespeichermodulen (2a, 2b, 2c, 2d) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, eine Energiespeicherzelle, welche mindestens einen Energiespeicher (6a, 6b, 6c, 6d) aufweist, und welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss gekoppelt ist, eine Ringschalteinrichtung (5a, 5b, 5c, 5d), welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle mit dem ersten Anschluss des Energiespeichermoduls (2a, 2b, 2c, 2d) schaltbar zu verbinden, und eine erste Koppeleinrichtung (21a-21c; 22a-22c; 23a-23c; 24a-24c), welche dazu ausgelegt ist, einen Knoten zwischen dem zweiten Anschluss und der Energiespeicherzelle schaltbar mit einer der Phasenleitungen (11a, 11b, 11c) der elektrischen Maschine (11) zu verbinden, aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Batteriedirektumrichter in Ringkonfiguration
Die Erfindung betrifft einen Batteriedirektumrichter mit Energiespeichermodulen, welche in Ringkonfiguration angeordnet sind, zum Speisen einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue
Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden üblicherweise mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Antriebssystem bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriezellen bringt neben einer hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass der gesamte Energiespeicher ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil dann kein Batteriestrom mehr fließen kann. Ein solcher Ausfall des Energiespeichers kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Fahrzeug kann ein Ausfall der Antriebsbatterie zum "Liegenbleiben" des Fahrzeugs führen. Bei anderen Anwendungen, wie z.B. der Rotorblattverstellung von
Windkraftanlagen, kann es bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z.B. starkem Wnd, sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist stets eine hohe
Zuverlässigkeit des Energiespeichers anzustreben, wobei mit "Zuverlässigkeit" die Fähigkeit eines Systems bezeichnet wird, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten.
Es ist daher möglich, Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen zu betreiben, welche direkt an Phasenleitungen einer elektrischen Maschine anschließbar sind. Die
Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen, oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken, oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann.
Die Druckschrift US 5,642,275 offenbart beispielsweise ein Antriebssystem für eine dreiphasige elektrische Maschine mit kaskadierten Wechselrichtern, denen jeweils eine einzelne Batteriezelle zugeordnet ist. Die Druckschrift US 6,577,087 B2 offenbart ein mehrstufiges Antriebssystem mit einem Pulswechselrichter und einem Strang selektiv überbrückbarer Batteriezellen zur
Versorgung eines elektrischen Maschine mit abgestuften Versorgungsspannungen.
Die Druckschrift JP 2000-0341964 A offenbart ebenfalls ein Antriebssystem mit mehrstufig schaltbarer Versorgungsspannung.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung einen Wechselrichter zum Versorgen einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n > 2, mit einer Vielzahl von Energiespeichermodulen, welche in Reihenschaltung in einer Ringleitung angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Energiespeichermodulen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, eine Energiespeicherzelle, welche mindestens einen
Energiespeicher aufweist, und welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss gekoppelt ist, eine Ringschalteinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die
Energiespeicherzelle mit einem ersten Anschluss des Energiespeichermoduls schaltbar zu verbinden, und eine erste Koppeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen Knoten zwischen dem zweiten Anschluss und der Energiespeicherzelle schaltbar mit einer der Phasenleitungen der elektrischen Maschine zu verbinden, aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein System mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter und einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n > 2, welche über n Phasenleitungen jeweils mit den ersten Koppeleinrichtungen der Vielzahl der Energiespeichermodule des Wechselrichters verbunden ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindungs ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Systems. Das Verfahren umfasst die Schritte des Öffnens einer der Ringschalteinrichtungen der Vielzahl von Energiespeichermodulen bei gleichzeitigem Schließen der übrigen Ringschalteinrichtungen, und des selektivens Ansteuerns der ersten Koppeleinrichtungen zum Verbinden der n Phasenleitungen mit jeweils einem der Vielzahl von Energiespeichermodulen.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der Erfindung ist es, ein batteriegetriebenes Antriebssystem zu schaffen, welches eine abgestufte Versorgungsspannung für eine n-phasige elektrische Maschine bereitstellen kann. Dazu werden Energiespeichermodule in einem Ring angeordnet, welcher an frei wählbaren Stellen über Schalteinrichtungen in eine Kette von
Energiespeichermodulen aufgetrennt werden kann. Dadurch können
Energiespeicherzellen, welche in den Energiespeichermodulen angeordnet sind, variabel in die Kette zur Energieversorgung von Phasenleitungen der elektrischen Maschine zugeschaltet werden.
Diese Topologie ermöglicht überdies eine gleichmäßige Belastung aller
Energiespeicherzellen bzw. aller Energiespeichermodule, so dass zum Erreichen eines jeweiligen Versorgungsspannungswertes die einzelnen Energiespeicherzellen durch entsprechende Zu- und Abschaltung unterschiedlich stark strombelastet werden können. Damit kann im zeitlichen Mittel eine gleichmäßige Durchschnittsbelastung aller
Energiespeicherzellen erreicht werden. Darüber hinaus ist das System gegenüber einem Ausfall oder Defekt einer einzelnen
Energiespeicherzelle bzw. eines einzelnen Energiespeichermoduls robust, denn jede der Energiespeicherzellen kann entweder über die Ringschalteinrichtungen dauerhaft an das Ende der Energieversorgungskette geschaltet werden, wo sie weder stört noch nützt, oder über eine der Phasenleitungen mithilfe der ersten Koppeleinrichtungen überbrückt werden. In beiden Fällen kann das Antriebssystem mit den übrigen Energiespeichermodulen noch sicher weiter betrieben werden, so dass die
Ausfallsicherheit des gesamten Systems sehr hoch ist.
Die Anzahl der zur Erzeugung beliebiger Drehstromsysteme erforderlichen
Energiespeicherzellen ist bei dem erfindungsgemäßen System sehr gering, wodurch eine platzsparende und kostengünstige Ausführung möglich ist.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 1 a eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls des Systems in Fig. 1 in höherem Detail gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 10 zur Versorgung einer elektrischen Maschine 1 1 mit einer Versorgungsspannung. Die elektrische Maschine 1 1 ist dabei eine n-phasige Maschine mit n > 2. Das elektrische Antriebssystem 10 umfasst daher n Phasenleitungen 1 1a... 1 1 n, von denen in Fig. 1 beispielhaft zwei Phasenleitungen 1 1a und 1 1 n gezeigt sind. Zur Versorgung der elektrischen Maschine mit Strom ist eine
Ringleitung 1 vorgesehen, in der eine Anzahl m Energiespeichermodule 2a... 2m in Serie geschaltet sind, von denen in Fig. 1 beispielhaft drei Energiespeichermodule 2a, 2b, 2m gezeigt sind. Die Anzahl der Energiespeichermodule 2a... 2m ist dabei beliebig. Die Energiespeichermodule 2a... 2m sind jeweils über Versorgungsanschlüsse 3a... 3n mit den n Phasenleitungen 11 a... 11 n verbunden. Beispielsweise ist die Phasenleitung 1 1a über jeweils einen Versorgungsanschluss 3a mit jedem der Energiespeichermodule 2a, 2b, 2m verbunden. Dabei ist die Anzahl der Versorgungsanschlüsse 3a... 3n von der Anzahl der Phasenleitungen 11 a... 11 n abhängig.
In Fig. 1 a ist in höherem Detail der Aufbau eines Energiespeichermoduls 2 gezeigt. Die Energiespeichermodule 2a... 2m der Fig. 1 können dabei wie das in Fig. 2 gezeigte Energiespeichermodul 2 aufgebaut sein. Das Energiespeichermodul 2 umfasst einen ersten Anschluss 4a und einen zweiten Anschluss 4b. Weiterhin umfasst das
Energiespeichermodul 2 eine Energiespeicherzelle 6. Die Energiespeicherzelle 6 kann dabei mindestens einen Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie umfassen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass in der Energiespeicherzelle 6 mehrere
Energiespeicher in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die Anzahl und Anordnung der Energiespeicher in der Energiespeicherzelle 6 kann sich dabei nach den Anforderungen des Antriebssystems 10 richten. Das Energiespeichermodul 2 umfasst weiterhin eine Schalteinrichtung 5, welche den ersten Anschluss 4a des Energiespeichermoduls 2 schaltbar mit der Energiespeicherzelle 6 verbindet. Die Schalteinrichtung 5 kann auch als Ringschalteinrichtung 5 bezeichnet werden, da sie in geöffnetem Zustand den Ring, welcher durch die Ringleitung 1 über alle Energiespeichermodule 2 gebildet wird, unterbricht. Das Energiespeichermodul 2 umfasst weiterhin einen Knoten 7, welcher zwischen dem zweiten Anschluss 4b und der
Energiespeicherzelle 6 angeordnet ist. Mit dem Knoten 7 ist eine Koppeleinrichtung 8 verbunden, welche die Versorgungsanschlüsse 3a... 3n des Energiespeichermoduls 2 mit dem Knoten 7 verbindet. Die Koppeleinrichtung 8 kann beispielsweise
Schalteinrichtungen umfassen, welche jede der Phasenleitungen 11 a... 1 1 n über die Versorgungsanschlüsse 3a... 3n separat und unabhängig voneinander schaltbar mit dem Knoten 7 verbinden kann.
Zusammen mit den Koppeleinrichtungen 8 bilden Energiespeichermodule 2, welche in eine Ringleitung 1 gemäß der Topologie nach Fig. 1 in Reihe geschaltet sind, einen Wechselrichter, welcher eine von den Energiespeicherzellen 6 gelieferte Gleichspannung über eine aktive Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 8 in eine Wechselspannung für eine elektrische Maschine umrichten kann. Die Granularität der Umsetzung der digitalen Ansteuersignale für die Koppeleinrichtungen 8 der Energiespeichermodule 2 in eine analoge Ausgangswechselspannung hängt dabei unter anderem von der Anzahl der verwendeten Energiespeichermodule 2 bzw. der verwendeten Energiespeicherzellen 6 sowie der Taktrate der Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 8 ab.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Antriebssystem 20. Das Antriebssystem 20 entspricht dabei der Konfiguration des in Fig. 1 gezeigten Antriebssystems 10. Das Antriebssystem 20 dient beispielhaft zur Drehstromerzeugung für eine dreiphasige elektrische Maschine 1 1 mit drei Phasenleitungen 11 a, 1 1 b, 1 1c, welche auch mit U, V und W bezeichnet werden können. Das Antriebssystem 20 umfasst dabei beispielhaft vier Energiespeichermodule 2a, 2b, 2c, 2d, welche in der Ringleitung 1 in Serie geschaltet sind. Jedes der Energiespeichermodule 2a, 2b, 2c, 2d umfasst dabei eine Ringschalteinrichtung 5a, 5b, 5c, 5d, eine Energiespeicherzelle 6a, 6b, 6c, 6d sowie Koppeleinrichtungen zum Koppeln der Energiespeichermodule 2a, 2b, 2c, 2d mit den jeweiligen Phasenleitungen 11 a, 11 b, 1 1c.
Die Koppeleinrichtungen umfassen dabei pro Energiespeichermodul jeweils drei
Schalteinrichtungen, welche die Ringleitung 1 in dem jeweiligen
Energieversorgungsmodul mit einer der drei Phasenleitungen 1 1a, 1 1 b, 1 1c schaltbar verbinden. Beispielsweise umfasst das Energiespeichermodul 2a die Schalteinrichtungen 21a, 21 b und 21c, wobei die Schalteinrichtung 21a die Phasenleitung 11 a schaltbar mit der Ringleitung 1 in dem Energiespeichermodul 2a verbindet, die Schalteinrichtung 21 b die Phasenleitung 1 1 b schaltbar mit der Ringleitung 1 in dem Energiespeichermodul 2a verbindet und die Schalteinrichtung 21 c die Phasenleitung 1 1c schaltbar mit der
Ringleitung 1 in dem Energiespeichermodul 2a verbindet. Analog weisen die
Energiespeichermodule 2b, 2c, 2d jeweils Schalteinrichtungen 22a, 22b, 22c, 23a, 23b, 23c sowie 24a, 24b und 24c auf. Die Ringschalteinrichtungen 5a, 5b, 5c, 5d dienen zur Unterbrechung der Ringleitung 1 an geeigneter Stelle, so dass jeweils eine Kette der Energieversorgungsmodule 2a, 2b, 2c, 2d entsteht. Die Schalteinrichtungen der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule 2a, 2b, 2c, 2d können dabei so angesteuert werden, dass pro Phasenleitung 11 a, 11 b, 1 1c jeweils nur eine Schalteinrichtung geschlossen ist. Dadurch resultiert auf jeder der Phasenleitungen 1 1a, 1 1 b, 1 1c eine Versorgungsspannung, die von der jeweils geschlossenen Schalteinrichtung der Koppeleinrichtungen und der Unterbrechungsstelle der Ringleitung 1 durch die jeweilige Ringschalteinrichtung 5a, 5b, 5c, 5d abhängig ist. Beispielsweise liegt an der Phasenleitung 11 a bei geöffneter Ringschalteinrichtung 5c und geschlossener Schalteinrichtung 21 a eine Versorgungsspannung an, die der Summe der durch die Energiespeicherzellen 6a, 6b und 6c bereitgestellten Spannung abzüglich der durch die Energiespeicherzellen 6d bereitgestellten Spannung entspricht.
Bei der Ausgangsspannung des Systems 20 ist lediglich die Differenz zwischen den Versorgungsspannungen der einzelnen Phasenleitungen 1 1a, 1 1 b, 11 c relevant. Damit kann mit dem System 20 eine siebenstufige Einstellung der Ausgangsspannung als Differenz zwischen je zwei Phasenleitung 11 a, 11 b, 11 c möglich, da die der jeweils geöffneten Ringschalteinrichtung 5a, 5b, 5c, 5d zugeordnete Energiespeicherzelle 6a, 6b, 6c bzw. 6d für die Ausgangsspannungsdifferenz nicht nutzbar ist. Generell ist es möglich, eine (2m-1)-stufige Ausgangsspannung bei Nutzung von m Energiespeichermodulen mit Energiespeicherzellen gleicher Spannung bereitzustellen.
Durch rechtzeitiges Umschalten der Schalteinrichtungen der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule kann man die Ausgangsspannung einer Sinusspannung annähern. Dabei können beispielsweise Zwischenwerte zwischen den Stufen der Ausgangsspannung über entsprechendes Hin- und Herschalten zwischen zwei
Schalteinstellung der Schalteinrichtungen realisiert werden, so dass im zeitlichen Mittel ein Zwischenwert der Ausgangsspannung an den jeweiligen Phasenleitungen anliegt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 30, welches sich von dem in Fig. 2 gezeigten Antriebssystem 20 nur darin unterscheidet, dass eines des Energieversorgungsmodule, beispielhaft in Fig. 3 gezeigt das Energieversorgungsmodul 2d, mit einer zusätzlichen Koppeleinrichtung ausgestattet wird. Die zusätzliche
Koppeleinrichtung verbindet dabei einen Knoten zwischen der Ringschalteinrichtung 5d und der Energiespeicherzelle 6d des Energieversorgungsmoduls 2d mit den
Phasenleitungen 1 1a, 1 1 b, 1 1c. Beispielsweise können dazu Schalteinrichtungen 34a, 34b und 34c vorgesehen sein, welche jeweils eine der Phasenleitungen 1 1a, 1 1 b bzw. 1 1c mit der Ringleitung 1 in dem Energieversorgungsmodul 2d verbinden. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Koppeleinrichtung in einem anderen der
Energieversorgungsmodule 2a, 2b oder 2c anzuordnen. Die Schalteinrichtungen 34a, 34b und 34c können dabei ähnlich den Koppeleinrichtungen in Fig. 2 angesteuert werden. Sie bieten den Vorteil, dass auch die Energiespeicherzelle 6d bei der Bildung der Differenz zwischen den Versorgungsspannungen zweier
Phasenleitungen 11 a, 11 b, 1 1c berücksichtigt werden kann, wenn die
Ringschalteinrichtung 5d die geöffnete Ringschalteinrichtung ist. Auf diese Weise kann mit dem System 30 eine (2m+1)-stufige Ausgangsspannungseinstellung, hier beispielhaft neunstufig, gegenüber einer nur (2m-1)-stufigen mit dem System 20 in Fig. 2 erreicht werden.
In den Systemen 10, 20 und 30 der Fig. 1 , 2 bzw. 3 ist es generell auch möglich, die Ringschalteinrichtungen und die Koppeleinrichtungen zum Aufladen der
Energiespeicherzellen aus einem Drehstromnetz anzusteuern.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 40 zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems eines der Fig. 1 , 2 oder 3. In einem ersten Schritt 41 wird eine der Ringschalteinrichtungen der Energiespeichermodule geöffnet, während die übrigen jeweils geschlossen werden, um die Ringleitung 1 an einer Stelle zu unterbrechen und eine Kette an Energieversorgungsmodulen bereitzustellen. In einem zweiten Schritt
42 können dann die Koppeleinrichtungen angesteuert werden, um eine gewünschte Ausgangsspannung für die elektrische Maschine an den Phasenleitungen zu erzeugen. In einem Schritt 43 kann überprüft werden, ob die Einstellung der Ringschalteinrichtungen verändert werden soll. Dies kann je nach Einstellung des Antriebssystems geschehen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass stets die gleiche Ringschalteinrichtung geöffnet werden soll, beispielsweise in dem System 30 der Fig. 3, wenn die maximale Ausgangsspannung benötigt wird, die nur bei einem Öffnen der Ringschalteinrichtung 5d erreicht werden kann. In diesem Fall kehrt das Verfahren nach dem Überprüfungsschritt
43 wieder an den Beginn des Verfahrens zurück.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, beispielsweise in periodischen Abständen die geöffnete Ringschalteinrichtung zu wechseln. Dies kann vorteilhaft sein, um die
Strombelastung der Energiespeicherzellen im zeitlichen Mittel für jede der
Energiespeicherzellen gleich zu halten. Hierzu erfolgt in einem Schritt 44 die Überprüfung, ob sich das System noch im Normalbetriebszustand befindet, das heißt, ob alle
Energiespeicherzellen bzw. Energiespeichermodule fehlerfrei arbeiten. Sollte dies der Fall sein, kann in einem Schritt 45 die in Schritt 41 zu öffnende Ringschalteinrichtung gewechselt werden. Es kann dabei möglich sein, eine festgelegte Reihenfolge des Ringschalteinrichtungswechsels in Schritt 45 einzuhalten, um eine möglichst gleichmäßige Belastung der Energiespeicherzellen über einen längeren Zeitraum hinweg zu erzielen. Die Periode, mit der die Ringschalteinrichtung gewechselt wird, kann dabei wesentlich länger sein als eine Schaltperiode der Koppeleinrichtungen der
Energiespeichermodule zur Erzeugung einer Sinusvollwelle der Ausgangsspannung.
In bestimmten Kettenformationen, das heißt, beim Öffnen bestimmter
Ringschalteinrichtungen ergibt sich weiterhin die Möglichkeit, gleiche
Versorgungsspannungen an den Phasenleitungen mit unterschiedlicher Einstellung der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule zu erhalten. Dies ist dann möglich, wenn die einzustellende Ausgangsspannung geringer als die maximal mögliche
Ausgangsspannung ist, wobei die Auswahl der jeweils drei geschlossenen
Schalteinrichtungen für die drei Phasenleitungen in Relation zueinander gleich bleibt, aber entlang der Kette zwischen den Enden verschoben wird. Durch gleichmäßige Wahl der verschiedenen gleichwertigen Einstellungen der Koppeleinrichtungen in Schritt 42 ist es so möglich, die Strombelastung der einzelnen Energiespeicherzellen im zeitlichen Mittel auszugleichen.
Sollte in dem Schritt 44 jedoch festgestellt werden, dass eine der Energiespeicherzellen bzw. eines der Energiespeichermodule sich nicht in einem Normalbetriebszustand befindet, also beispielsweise defekt, gestört oder ausgefallen ist, kann vorgesehen sein, in einem Schritt 46 zwischen zwei alternativen Notbetriebszuständen auszuwählen. Die Auswahl kann dabei beispielsweise von der gewünschten Ausgangsspannung abhängen.
Es kann beispielsweise in Schritt 47 vorgesehen sein, den Wechsel der
Ringschalteinrichtungen aufzugeben. In diesem Fall kann diejenige Ringschalteinrichtung, welche sich in dem Energiespeichermodul mit der defekten Energiespeicherzelle befindet, dauerhaft als die in Schritt 41 zu öffnende Ringschalteinrichtung ausgewählt werden. In diesem Fall befindet sich die defekte Energiespeicherzelle dauerhaft am Minuspol, wodurch sie in keinem Fall in die Versorgungskette eingebunden ist. Für den speziellen Fall, dass die Energiespeicherzelle 6d in dem System 30 in Fig. 3 ausfällt, muss weiterhin noch dafür Sorge getragen werden, dass die zusätzlichen Schalteinichtungen 34a, 34b, 34c entsprechend angesteuert werden, um die Energiespeicherzelle 6d zuverlässig aus der Energieversorgungskette herauszuhalten. Alternativ kann beispielsweise in Schritt 48 vorgesehen sein, die defekte
Energiespeicherzelle in der Kette zu überbrücken. Hierzu kann es vorgesehen sein, die der defekten Energiespeicherzelle zugeordnete Ringschalteinrichtung zusätzlich zu der für die Unterbrechung der Ringleitung 1 zu öffnenden Ringschalteinrichtung zu öffnen und die defekte Energiespeicherzelle mithilfe zweier Koppeleinrichtungen über eine der Phasenleitungen zu überbrücken. Wenn beispielsweise die Energiespeicherzelle 5c defekt ist, kann die Ringschalteinrichtung 5c zusätzlich geöffnet werden. Damit der Stromkreis wieder geschlossen wird, kann eine Überbrückung der Energiespeicherzelle 5c über eine der Phasenleitungen 1 1a, 1 1 b, 1 1c erfolgen. Beispielsweise können die Schalteinrichtungen 24a und 23a dauerhaft geschlossen werden. In diesem Fall fließt der Strom von der (intakten) Energiespeicherzelle 6d über die Schalteinrichtung 24a, die Phasenleitung 1 1a und die Schalteinrichtung 23a zur Ringschalteinrichtung 5b, wodurch die geöffnete Ringschalteinrichtung 5c und die defekte Energiespeicherzelle 6c überbrückt worden sind. Die Phasenleitung 1 1a kann in diesem Fall allerdings nicht mehr für eine Änderung der Ausgangsspannung angesteuert werden, da außer den
Schalteinrichtungen 24a und 23a keine weitere Schalteinrichtung zu der Phasenleitung 1 1a mehr geschlossen werden darf. Die maximale Ausgangsspannung wird also bei einem Überbrücken einer defekten Energiespeicherzelle über die entsprechende
Spannung der Energiespeicherzelle niedriger. Falls mehrere Energiespeicherzellen gleichzeitig defekt sein sollten, kann eine Überbrückung über Koppeleinrichtungen und Phasenleitungen nur erfolgen, falls direkt benachbarte Energiespeicherzellen ausfallen.

Claims

Ansprüche 1. Wechselrichter zum Versorgen einer n-phasigen elektrischen Maschine (1 1), wobei n > 2, mit einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (2), welche in Reihenschaltung in einer Ringleitung (1) angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Energiespeichermodulen (2) aufweist:
einen ersten Anschluss (4a) und einen zweiten Anschluss (4b);
eine Energiespeicherzelle (6), welche mindestens einen Energiespeicher (6a, 6b, 6c,
6d) aufweist, und welche zwischen den ersten Anschluss (4a) und den zweiten Anschluss (4b) gekoppelt ist;
eine Ringschalteinrichtung (5), welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle (6) mit dem ersten Anschluss (4a) des Energiespeichermoduls (2) schaltbar zu verbinden; und
eine erste Koppeleinrichtung (8), welche dazu ausgelegt ist, einen Knoten (7) zwischen dem zweiten Anschluss (4b) und der Energiespeicherzelle (6) schaltbar mit einer der Phasenleitungen (11 a, 11 b, 11 c) der elektrischen Maschine (1 1) zu verbinden.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1 , wobei die ersten Koppeleinrichtungen (8) jeweils für jede Phasenleitung (11 a, 11 b, 11 c) der elektrischen Maschine (1 1) einen steuerbaren Halbleiterschalter (21a, 21 b, 21c; 22a, 22b, 22c; 23a, 23b, 23c; 24a, 24b, 24c) aufweist.
3. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Energiespeicherzelle (6) eine Mehrzahl in Reihe oder parallel geschalteter Batterien (6a, 6b, 6c, 6d) aufweist.
4. Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Vielzahl von Energiespeichermodulen (2d) weiterhin aufweist:
eine zweite Koppeleinrichtung (34a, 34b, 34c), welche dazu ausgelegt ist, einen
Knoten zwischen der Ringschalteinrichtung (5d) und der Energiespeicherzelle (6d) schaltbar mit einer der Phasenleitungen (11 a, 11 b, 1 1 c) der elektrischen Maschine (1 1) zu verbinden.
5. System (10; 20; 30), mit:
einem Wechselrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und einer n-phasigen elektrischen Maschine (1 1), wobei n > 2, welche über n Phasenleitungen (1 1a, 1 1 b, 1 1c) jeweils mit den ersten Koppeleinrichtungen (8) der Vielzahl der
Energiespeichermodule (2) des Wechselrichters verbunden ist.
6. Verfahren (40) zum Betreiben eines Systems (10; 20; 30) nach Anspruch 5, mit den Schritten:
Öffnen einer der Ringschalteinrichtungen (5) der Vielzahl von Energiespeichermodulen (2) bei gleichzeitigem Schließen der übrigen Ringschalteinrichtungen (5); und
selektives Ansteuern der ersten Koppeleinrichtungen (8) zum Verbinden der n
Phasenleitungen (1 1a, 1 1 b, 1 1c) mit jeweils einem der Vielzahl von
Energiespeichermodulen (2).
7. Verfahren (40) nach Anspruch 6, wobei in dem Schritt des Öffnens einer der
Ringschalteinrichtungen (5) die jeweils geöffnete Ringschalteinrichtung (5) periodisch zwischen allen Ringschalteinrichtungen (5) der Vielzahl von Energiespeichermodulen (2) gewechselt wird.
8. Verfahren (40) nach Anspruch 6, weiterhin mit den Schritten:
Erfassen eines Defekts einer Energiespeicherzelle (6) eines der Vielzahl von
Energiespeichermodulen (2); und
permanentes Öffnen der Ringschalteinrichtung (5) desjenigen Energiespeichermoduls (2), bei dessen Energiespeicherzelle (6) ein Defekt erfasst wird.
9. Verfahren (40) nach Anspruch 6, weiterhin mit den Schritten:
Erfassen eines Defekts einer Energiespeicherzelle (6) eines der Vielzahl von
Energiespeichermodulen (2); und
permanentes Überbrücken der defekten Energiespeicherzelle (6) über eine der
Phasenleitungen (11 a, 1 1 b, 1 1c) durch Ansteuern der ersten Koppeleinrichtung (8) des Energiespeichermoduls (2) mit der defekten Energiespeicherzelle (6) und der ersten Koppeleinrichtung (8) eines dem Energiespeichermodul (2) mit der defekten
Energiespeicherzelle (6) benachbarten Energiespeichermoduls (2).
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