WO2019076479A1 - Verfahren und vorrichtung zum laden eines energiespeichers - Google Patents

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coil
energy
charging
voltage
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Stefan GÖTZ
Hermann Helmut DIBOS
Malte Jaensch
Eduard Specht
Christian KORTE
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Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a device for charging an energy store of a
  • the invention relates to a corresponding method for charging an energy store of a motor vehicle.
  • Energy supply is used up, be charged.
  • Energy storage device has at least two power supply branches, wherein each of the power supply branches a plurality of series-connected
  • a charging circuit can be connected via two charging circuit terminals of the DC power supply circuit connected in series with supply nodes.
  • the charging circuit can be connected to their
  • Charging circuit terminals loaded with a current and be designed to provide a DC charging voltage or a pulsed charging voltage with a defined average value for the energy storage modules of the energy storage device. From DE 10 2013 212 682 AI and DE 10 2013 212 716 AI similar systems are known, which relate to the charging of battery modules.
  • the object of the present invention is therefore to address at least one of the disadvantages of the prior art.
  • at least one possibility should be given to enable wireless charging of the energy store.
  • the object is achieved by a method and a device for charging an energy store according to the independent claims. Further respective embodiments can be found in the respective dependent claims and the following description.
  • the invention thus provides a method for charging an energy store
  • an energy storage device which has at least three energy storage strings, each having a plurality of energy storage modules, wherein the respective energy storage modules at least one energy storage element that receives and stores energy from an energy source, and at least two
  • Comprise switching elements wherein the energy storage device is connected to a first coil, so that a voltage induced in the first coil for charging the
  • Energy storage elements of the energy storage modules of the energy storage is used, the energy storage by switching the switching elements, whereby the respective energy storage modules of an energy storage strand are connected in parallel and / or in series and / or at least one energy storage module at least one energy storage strand is bridged to properties of the first Coil supplied voltage is adjusted.
  • Applicant's German patent application DE 10 2015 112 512 AI which is incorporated herein by reference in its entirety, discloses an energy storage module enabling the present invention.
  • Several such energy storage modules form an energy storage strand and a plurality of such energy storage strands form the energy storage.
  • the energy store preferably has three energy storage strands. A different number of energy storage strings is also possible. Three energy storage strings have the advantage that thereby the energy storage connected in a simple manner with a known three-phase AC power and can be charged by it.
  • the energy store can be adapted to the voltage provided by the first coil.
  • the provided voltage is influenced, for example, by a number of windings of the first coil or by a number of windings of an external second coil. Properties that can vary and to which the energy storage is adaptable, for example, the frequency, the
  • Nominal value / RMS value and / or the maximum value of the voltage can be bridged or intermediate voltages can be realized.
  • a single module according to the o.g. Applicant's patent application allows so-called two- and four-quadrant modules, each having a plurality of
  • Circuit options and at least the four-quadrant modules allow different polarity directions.
  • a coil for coupling the energy storage or charging energy via an inductive charging method can be on a cable with which, for example, an inventive energy storage of a vehicle must be connected, be dispensed with.
  • An embodiment of the method is characterized in that the electrical connection between the energy store and the first coil via a
  • Charging connector is passed for connection to an external power source.
  • an additional switching device which controls the coupling in of the voltage induced across the coil, which simplifies the device and simplifies the circuit.
  • Another embodiment of the method is characterized in that in each case an energy storage strand is electrically connected to the first coil. Due to the particular configuration of the energy storage modules, i. by the selected number of switching elements arranged therein and their circuit possibilities, can be dispensed with a converter which rectifies the voltage provided by the coil to charge the battery. It can thus be fed directly and directly an AC voltage in the energy storage. The adaptation to the voltage provided is taken over by the switching elements in the energy storage modules. This simplifies the circuitry and makes charging the energy store more free and variable.
  • Energy storage modules is set a lower voltage than is provided by the first coil. As a result, a voltage gradient between the first coil and energy storage, whereby electricity or energy from the first coil in the
  • a further embodiment of the method is characterized in that the first coil is associated with a, often external, second coil, which is connected to a power source.
  • a power source which is an AC voltage source.
  • a still further embodiment of the method is characterized in that the energy store remains connected to a vehicle electrical system during a charging process. About the tap on the electrical system fuse elements, such as, for example, contactors in the circuit device, as will be described below, are controlled. The method is further developed in that as energy storage a
  • AC battery is used.
  • An AC battery for example, made possible by an interconnection of individual modules, each in the German patent applications DE 10 2015 112 512 AI, DE 10 2015 112 513 AI and DE 10 2016 112 250 AI the applicant and also in the publications DE 10 2011 108 920 AI and DE 10 2010 052 934 AI and in particular also in S. Goetz, A.
  • the individual modules which are called energy storage modules in the present disclosure, have for this purpose at least one energy storage element, such as, for example, a battery or a capacitor, and a plurality of switching elements.
  • the switching elements are arranged in the respective modules so that they allow dynamic switching of adjacent modules. That is, the plurality of switching elements adjacent
  • Energy storage elements selectively switch in parallel or in series with each other or a respective energy storage element or a respective energy storage module
  • switching elements required for this purpose are arranged in a respective module, a control of the switching elements can be carried out with a minimal potential difference between the switching elements. This allows the activation or activation of the switching elements to be performed accurately at the same time. Due to the accurate circuitry and the ability to switch adjacent modules in series or in parallel, such a battery can operate be dynamically reconfigured so that the battery can provide DC, AC, or other forms of voltage. Inversely, this also means that the battery can be charged with DC voltage, AC voltage or other forms of voltage.
  • the invention proposes a device for charging an energy store, the at least three energy storage strings each having a plurality
  • Energy storage modules wherein the respective energy storage modules each comprise at least one energy storage element that receives and stores energy from a power source and at least two switching elements, the device having at least one electrical connection between the energy storage and a first coil, wherein the first coil is formed , a voltage induced in the first coil for charging the energy storage elements of
  • An embodiment of the device is characterized in that the device in each case has an electrical connection from a respective energy storage strand to the first coil.
  • Another embodiment of the device is characterized in that the energy store is designed to set a respective voltage to a respective energy storage strand.
  • Yet another embodiment of the device has a charging connection device, which is set up to effect the electrical connection between the energy store and the first coil.
  • a development of the device comprises a coil device which comprises the first coil and a second coil.
  • the invention proposes a vehicle with an embodiment of a device according to the invention for carrying out an embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows an overview of a system circuit diagram of an embodiment of an inventive device for charging an energy store with a
  • FIG. 2 shows a first functional state of the device of the system circuit diagram of FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a second functional state of the device of the system circuit diagram of FIG. 1, in which the energy store is charged.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the method according to the invention.
  • Figures 6a and 6b show still further embodiments of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a system circuit diagram 10a.
  • An energy store 14 a is electrically connected to a vehicle electrical system 11.
  • the electrical system 11 is adapted to use several voltage levels as a consumer voltage for each consumer, for example. 12V and 48V.
  • the energy store 14a has three energy storage strings u, v, w in the exemplary embodiment shown here.
  • Each energy storage unit u, v, w has in each case five energy storage modules u-1 to u-5, v-1 to v-5 and w-1 to w-5.
  • the number n of the energy storage modules can be arbitrary and thus more than five energy storage modules can be present, where always n is a natural number.
  • the positive pole of the electrical system 11 is in each case via an electrical connection 32 with a positive connection of a respective
  • Vehicle electrical system 11 is in each case connected via an electrical connection 33 to a negative terminal of a respective energy storage module u-1 or v-1 or w-1.
  • a contactor 34 and a switch S9 are arranged in series.
  • the respective modules u-1 to u-5, v-1 to v-5 and w-1 to w-5 in the respective energy storage line u, v, w are each connected in parallel.
  • an ammeter marked "A" On the motor-side end of the strands u, v, w (on the right-hand side in FIG. 1), there is arranged in each case an ammeter marked "A."
  • a contactor 36 is connected downstream of each of these.
  • the strands u, v, w are each electrically connected to one strand of a motor 20.
  • the engine has three motor windings 21.
  • a switch Sl in the electrical connection of line u to the motor 20 and a switch S2 in the electrical connection of line v to the motor 20 are arranged in order to disconnect or connect them, depending on the operating function.
  • the engine 20 is a
  • the charging terminal 38 electrically connected.
  • the charging terminal device 38 For charging the battery 14a, it is connected to respective energy sources supplying a charging voltage, DC sources and / or AC sources being considered as energy sources. In essence, the
  • Charging terminal device 38 is a connector for connecting to a respective plug of the power source.
  • the charging terminal device 38 has a plurality of terminals LI, L2, L3 for connecting to respective phases of a three-phase network. Furthermore, the
  • Terminal LI, L2, L3, N, "+", "-" are each a switch S3 to S7
  • the switch S4 is configured to switch between the terminal "-" and the terminal N.
  • the switches S5, S6, S7 are set up to switch between the respective phase terminal LI, L2, L3 or a coupling string 39.
  • the switch S3 is configured to connect the terminal "+” or the terminal of the phase LI to the coupling string 39.
  • the terminals LI, L2 and L3 also each have a coil 40. Parallel between the terminal N and the respective terminals LI, L2 and L3 is in each case marked with a "U"
  • Tension meter arranged.
  • a voltmeter marked “U” is also located between the "+” terminal and the "-" terminal.
  • an electrical connection 42 to the negative pole of the electrical system 11 or to the electrical connection 33 is formed from the connection N or the connection "-.”
  • the electrical connection 42 has a contactor 44 Between the electrical connection 42 and the respective strands u, v, w, in each case "U" marked voltmeters are arranged in parallel, so that a voltage between the respective strands u, v, w and the electrical connection 42 can be determined.
  • From the electrical connection 42 branches off between the contactor 44 and the switch S4 an electrical connection to a first coil 50 and coupling coil 50 from.
  • the electrical connection of the coupling coil 50 connects the coupling coil 50 with the switch S5 and the energy storage strand u.
  • a switch S8 separates the electrical connection between the coupling coil 50 and the switch S5 or the strand u. Between the electrical connection of the coupling coil 50 and the electrical
  • Connection 42 is another voltmeter U arranged.
  • the coupling coil 50 is associated with a not belonging to the device external second coil 52.
  • the external second coil 52 is one with an AC voltage
  • measurement data such as e.g. individual cell voltages of the individual energy storage modules or the temperature sent to a central controller 46 of the battery 14a, shown by dashed arrows in the direction of the central controller 46.
  • the central controller 46 has to control the respective switches of the energy storage modules u-1 to u-5, v-1 to v-5 and w-1 to w-5 a high-speed bus 45 on.
  • a switch control 48 for controlling the switches Sl to S9 is connected.
  • Figure 2 shows the system diagram 10a as it is switched during a
  • the switch S9 is closed.
  • the electrical system 11 is electrically connected to its respective positive pole and its respective negative pole to the battery 14a.
  • the switches Sl and S2 are closed, whereby the battery 14a and the motor 20 are electrically connected to each other.
  • the switches S3 to S7 are switched so that they do not fulfill any function or the Charging connector 38 is disconnected.
  • the switches S3 to S7 are opened or switched to a middle position between the respective possible end positions, so that none of the end positions is electrically connected.
  • the switching elements S3 to S7 are other than those shown, which allow an open position in addition to several other functional positions, alternatively possible.
  • the switch S8 is in this
  • FIG. 3 shows the system circuit diagram 10a of FIG. 1 in the switching state which is present when the energy store 14a is charged via the coupling coil 50, the switch S8 initially being open.
  • the vehicle having the device or system is e.g. moved into a corresponding charging device, so that the coupling coil 50 in
  • Effective range of the external second coil 52 is arranged.
  • the energy source 12 provides an alternating voltage, due to which an alternating magnetic field is set in the coils 50, 52. As a result of the alternating magnetic field, a voltage is then induced in the coil 50.
  • the voltmeters U measure the respective voltages applied to the coupling coil 50 and the strands u, v, w. Before the switch S8 is closed, the respective voltages on the strands u, v, w are set to a common value with the voltage of the coupling coil 50, so that there is no such
  • Voltage is applied as at the coupling coil 50. So there is a voltage gradient of the voltage between the coupling coil 50 and the energy storage 14a. Due to this voltage gradient, energy or electricity flows into the energy storage of the
  • FIG. 4 shows the circuit diagram 10b, which shows a further possibility for charging an energy store or a battery 14b with an AC voltage source as
  • Power source 12 and a coil device 24 represents.
  • the AC voltage source 12 is electrically connected to the battery 14b via a terminal 16 *. Between the AC voltage source 12 and the terminal 16 *, the coil device 24 is arranged.
  • the battery 14b has, here also playfully illustrated, three energy storage strands u, v, w or battery strings u, v, w on.
  • the strands u, v, w are connected in parallel with each other.
  • Each of the strings u, v, w has a plurality of energy storage modules u-1, u-2, u-3, u-4, u-5 and v-1, v-2, v-3, v-4, v- 5 or w-1, w-2, w-3, w-4, w-5, which are also known as
  • Each strand u, v, w additionally has a switch module uS, vS, wS for this purpose.
  • a respective switch module uS, vS, wS can, for example, be a MOSFET.
  • the MOSFET reduces the double tap of the modules u-1, v-1, w-1 to one tap.
  • the Respective modules u-1 to u-5 and uS, v-1 to v-5 and vS, w-1 to w-5 and wS are respectively connected in parallel within their respective strings.
  • the strands u, v, w or the battery 14b are electrically connected to a motor 20 via a respective connection 18-u, 18-v, 18-w.
  • the motor 20 corresponds to the motor 20 shown in the figures described above and has three winding or
  • the embodiment shown in FIG. 4 also has a coil device 24 arranged downstream of the AC voltage source 12 in the form of a transformer 24.
  • the AC voltage source 12 is galvanically isolated from the energy storage 14b, whereby safety aspects of the circuit are addressed.
  • Coil device 24 essentially has two coils. Compared with the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, in this embodiment the first coil 50 and the second coil 52 are combined in the coil device 24.
  • the embodiment shown in Figure 4 allows a direct, single-phase charging of the battery 14b.
  • the return to the energy source 12 takes place via the neutral point of the motor 20.
  • the battery 14b is adjusted to the current of the power source 12. That is, the battery 14b is adapted to the power source 12 and the voltage provided by the first coil 50, respectively.
  • Power source 12 and the AC voltage provided by the coupling coil 50 are switched so that the respective strings u, v, w correspond to the frequency and the voltage of the coil device 24.
  • the power source 12 provides a charging voltage at a particular frequency.
  • the respective characteristics of the coil device 24 with the first and second coil 50, 52 is of the
  • the energy storage 14b provided a corresponding changed voltage.
  • the respective battery modules u-1 to u-5, v-1 to v-5 and w-1 to w-5 a plurality of switching elements, which allow the respective modules u-1 to u-5, v-1 to v-5 and w-1 to w-5 and to dynamically switch between the energy storage elements arranged in the respective modules between a parallel circuit and / or a series circuit.
  • respective frequencies and voltages in the respective modules u-1 to u-5, v-1 to v-5 and w-1 to w-5 or the battery strings u, v, w can be adjusted so that the battery 14b can be adapted to the provided frequency and voltage of the coil device 24.
  • This also requires the switch modules uS, vS and wS.
  • Coil device 24 provided AC voltage can be fed centrally.
  • the motor 20 need not be disconnected from the battery 14b during the charging process.
  • the respective modules are decoupled from the first voltage stage, i. they are individually controllable, so that they can be connected in parallel, in series or bridging to respective adjacent modules. Otherwise, only a parallel connection would be possible.
  • the circuit diagram 10c shown in FIG. 5 essentially corresponds to the circuit diagram 10b shown in FIG. 4, the circuit diagram 10c of FIG. 5 having two switches SWK1, SWK2 arranged between the terminals 18-u, 18-v, 18-w , via which the battery 14b is connected to the respective winding strands with the respective windings 21 of the motor 20.
  • the switch SWK1 is disposed between the terminals 18-u and 18-v.
  • the switch SWK2 is disposed between the terminals 18-v and 18-w.
  • the embodiment shown in FIG. 5 has the coil device 24, which galvanically isolates the energy source 12 from the battery 14b. In the embodiment shown in FIG.
  • the battery 14b is charged directly, single-phase, with the motor 20 or the strings with the windings 21 (winding strands). of the motor 20 are short-circuited via the switches SWK1 and SWK2.
  • the motor 20 need not be disconnected from the battery 14b during the charging process and no voltage drops occur across the windings 21 of the motor 20.
  • the short-circuiting of the strands takes place by closing the switches SWK1 and SWK2 respectively.
  • a control, not shown, of the switches SWK1, SWK2 is required.
  • FIGS. 6a and 6b show further possibilities for charging an energy store 14c.
  • FIGS. 6a and 6b show circuit diagrams 10d and 10e in which
  • Embodiments are shown in which the battery 14c with two voltage sources 12, 13 is electrically connected.
  • the embodiments of FIGS. 6a and 6b described below allow charging of the energy store 14c by means of
  • a three-phase voltage source 13 which has a plurality of phases, and in each case the one shown above
  • Voltage source 12 is provided which has only one phase.
  • the respective energy storage modules of the energy storage strings u, v, w are each connected in parallel with each other.
  • Switches SSP1 and SSP2 disconnect the neutral point of the battery 14c.
  • the switches SSP1 and SSP2 are opened.
  • the switches SSP1 and SSP2 are to be closed, so that the energy source 12 is integrated via the neutral point of the energy store 14c.
  • the power source 12 is connected to the battery 14c via a terminal 26 and via a terminal 28.
  • the embodiments shown in the circuit diagrams 10d and 10e include the switches SWK1 and SWK2 disposed between the strings of the motor 20 for interconnecting the strings of the motor 20.
  • the circuit diagrams 10d and 10e furthermore have three coils 30.
  • a coil 30 is electrically connected to each of a phase L1, L2, L3 of the power source 13 and a respective terminal of the battery 14c.
  • a coil device 25 or a transformer 25 is connected downstream of the charger 13 for galvanic isolation.
  • the single-phase AC voltage source 12 is a coil device 24
  • the coil device 24 has the first coil 50 and the second coil 52.
  • the device according to the invention may e.g. used in electric vehicles.
  • inductive charging via the coupling coil 50 can be dispensed with a cable connection between the vehicle and charging device.
  • Energy storage modules can be switched arbitrarily, they are at each
  • the coupling coil can be fed directly into the energy storage 14a, 14b, 14c.
  • the switching elements of the energy storage modules can adapt the energy store to such a frequency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers (14a) bei dem ein Energiespeicher (14a) verwendet wird, der mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v- 5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle (12) Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher (14a) jeweils mit einer ersten Spule (50) verbunden wird, so dass eine in der ersten Spule (50) induzierte Spannung zum Laden der Energiespeicherelemente der Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) des Energiespeichers (14) verwendet wird, wobei der Energiespeicher (14a) durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens ein Energiespeichermodul (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) überbrückt wird, an Eigenschaften der von der ersten Spule (50) bereitgestellten Spannung angepasst wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers eines
Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs.
Um unabhängig bzw. unabhängiger von fossilen Brennstoffen zu werden, werden in modernen Fahrzeugen zunehmend elektrische Motoren verbaut, die selbständig das Fahrzeug antreiben oder einen vorhandenen Verbrennungsmotor unterstützen. Die elektrischen Motoren bzw. Elektromotoren werden üblicherweise von einer oder mehreren Batterien mit Energie versorgt. Diese Batterien müssen, nachdem ihr
Energievorrat aufgebraucht ist, geladen werden.
Aus der DE 10 2013 212 692 AI ist ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung bekannt, wobei die
Energiespeichereinrichtung mindestens zwei Energieversorgungszweige aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten
Energiespeichermodulen aufweist. Über zwei in Reihe zu Speiseknoten geschalteten Ladeschaltungsanschlüssen der Gleichspannungsversorgungsschaltung kann eine Ladeschaltung angeschlossen werden. Die Ladeschaltung kann an ihren
Ladeschaltungsanschlüssen mit einem Strom belastet und dazu ausgelegt sein, eine Ladegleichspannung bzw. eine pulsierende Ladespannung mit definiertem Mittelwert für die Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen. Aus der DE 10 2013 212 682 AI und der DE 10 2013 212 716 AI sind ähnliche Systeme bekannt, die das Laden von Batteriemodulen betreffen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme stellen eine Gleichspannung als Ladespannung für den Energiespeicher zur Verfügung. Dies beschränkt die
Lademöglichkeiten des Energiespeichers. Darüber hinaus ist eine Kabelverbindung zwischen Energiespeicher und Ladeenergiequelle notwendig. Aus der DE 10 2013 008 905 AI ist ein Energiespeichermodul bekannt, das eine vollständig von einem Gehäuse umgebene Akkumulatoranordnung aufweist, die über eine in das Gehäuse integrierte Koppelspule und eine Ladeelektronik auf induktivem Wege aufladbar ist, wobei eine Energieauskopplung aus der Akkumulatoranordnung
ausschließlich auf induktivem Weg vorgesehen ist. Hierbei liegen die
Energiespeichermodule jeweils innerhalb des induzierten Magnetfeldes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, wenigstens einen der Nachteile des Stands der Technik zu adressieren. Insbesondere soll wenigstens eine Möglichkeit angegeben werden, ein kabelloses Laden des Energiespeichers zu ermöglichen.
Zumindest soll zu bekannten Lösungen eine Alternative vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere jeweilige Ausgestaltungen sind den jeweiligen abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers
vorgeschlagen, bei dem ein Energiespeicher verwendet wird, der mindestens drei Energiespeicherstränge mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei
Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher mit einer ersten Spule verbunden wird, so dass eine in der ersten Spule induzierte Spannung zum Laden der
Energiespeicherelemente der Energiespeichermodule des Energiespeichers verwendet wird, wobei der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule eines Energiespeicherstrangs jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens ein Energiespeichermodul mindestens eines Energiespeicherstrangs überbrückt wird, an Eigenschaften der von der ersten Spule bereitgestellten Spannung angepasst wird. Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 112 512 AI der Anmelderin, die hierin unter Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird, offenbart ein die vorliegende Erfindung ermöglichendes Energiespeichermodul. Mehrere solcher Energiespeichermodule bilden einen Energiespeicherstrang und mehrere solcher Energiespeicherstränge bilden den Energiespeicher. Vorzugsweise weist der Energiespeicher drei Energiespeicherstränge auf. Eine andere Anzahl von Energiespeichersträngen ist aber auch möglich. Drei Energiespeicherstränge haben den Vorteil, dass dadurch der Energiespeicher auf einfache Weise mit einem bekannten dreiphasigen Drehstromnetz verbunden und dadurch geladen werden kann.
Die besondere Ausgestaltung des Energiespeichers bzw. der Energiespeichermodule ermöglicht ein freies Verschalten der einzelnen Energiespeichermodule eines
Energiespeicherstrangs untereinander. Dadurch ist der Energiespeicher an die von der ersten Spule bereitgestellte Spannung anpassbar. Die bereitgestellte Spannung wird bspw. beeinflusst durch eine Anzahl Wicklungen der ersten Spule oder durch eine Anzahl Wicklungen einer externen zweiten Spule. Eigenschaften, die variieren können und an die der Energiespeicher anpassbar ist, sind beispielsweise die Frequenz, der
Nennwert/Effektivwert und/oder der Maximalwert der Spannung. Darüber hinaus können fehlerbehaftete Energiespeichermodule überbrückt oder Zwischenspannungen realisiert werden. Ein Einzelmodul gemäß der o.g. Patentanmeldung der Anmelderin ermöglicht sogenannte Zwei- und Vier-Quadranten-Module, die jeweils eine Vielzahl von
Verschaltungsmöglichkeiten und zumindest die Vier-Quadranten-Module verschiedene Polaritätsrichtungen zulassen.
Durch Verwenden einer Spule zum Einkoppeln der den Energiespeicher aufladenden Energie bzw. Spannung über ein induktives Ladeverfahren, kann auf ein Kabel, mit dem z.B. ein erfindungsgemäßer Energiespeicher eines Fahrzeugs verbunden werden muss, verzichtet werden. Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher und der ersten Spule über eine
Ladeanschlussvorrichtung zum Verbinden mit einer externen Energiequelle geleitet wird. Dadurch kann auf eine zusätzliche Schaltervorrichtung, die das Einkoppeln der über die Spule induzierten Spannung steuert, verzichtet werden, wodurch die Vorrichtung leichter und die Schaltung vereinfacht wird.
Eine andere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Energiespeicherstrang mit der ersten Spule elektrisch verbunden wird. Durch die besondere Ausgestaltung der Energiespeichermodule, d.h. durch die gewählte Anzahl an darin angeordneten Schaltelementen und deren Schaltungsmöglichkeiten, kann auf einen Umrichter, der die von der Spule bereitgestellte Spannung gleichrichtet, um die Batterie zu laden, verzichtet werden. Es kann somit direkt und unmittelbar eine Wechselspannung in den Energiespeicher eingespeist werden. Die Anpassung an die bereitgestellte Spannung wird von den Schaltelementen in den Energiespeichermodulen übernommen. Dadurch wird die Schaltung vereinfacht und das Laden des Energiespeichers kann freier und variabler gestaltet werden.
Eine noch andere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass an einem jeweiligen Energiespeicherstrang durch Schalten der Schaltelemente der
Energiespeichermodule eine geringere Spannung eingestellt wird, als von der ersten Spule bereitgestellt wird. Dadurch wird ein Spannungsgefälle zwischen erster Spule und Energiespeicher, wodurch Strom bzw. Energie von der ersten Spule in den
Energiespeicher fließt.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Spule eine, oftmals externe, zweite Spule zugeordnet wird, die mit einer Energiequelle verbunden wird. Durch ein Zusammenwirken der ersten Spule, der zweiten Spule und der Energiequelle, die eine Wechselspannungsquelle ist, wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wodurch eine Spannung in der ersten Spule induziert wird. Diese Spannung wird zum Laden des Energiespeichers verwendet. Folglich wird ein induktives Ladeverfahren zum Laden des Energiespeichers ermöglicht.
Eine noch weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher während eines Ladevorgangs mit einem Bordnetz eines Fahrzeugs verbunden bleibt. Über den Abgriff an dem Bordnetz können Sicherungselemente, wie bspw. Schütze in der Schaltungsvorrichtung, wie sie nachstehend noch beschrieben werden, gesteuert werden. Das Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass als Energiespeicher eine
Wechselstrombatterie verwendet wird. Eine Wechselstrombatterie wird beispielsweise ermöglicht durch eine Verschaltung von Einzelmodulen, die jeweils in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2015 112 512 AI , DE 10 2015 112 513 AI und DE 10 2016 112 250 AI der Anmelderin und ferner auch in den Druckschriften DE 10 2011 108 920 AI und DE 10 2010 052 934 AI und insbesondere auch in S. Goetz, A.
Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel Converter with series and parallel module Connectivity: Topology and control, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. l , pp 203-215, doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 offenbart sind. Die Einzelmodule, die in der vorliegenden Offenbarung Energiespeichermodule genannt werden, weisen dazu mindestens ein Energiespeicherelement, wie bspw. eine Batterie oder einen Kondensator, und mehrere Schaltelemente auf. Die Schaltelemente sind dabei in den jeweiligen Modulen so angeordnet, dass sie eine dynamische Umschaltung benachbarter Module erlauben. Das heißt, dass die mehreren Schaltelemente benachbarte
Energiespeicherelemente wahlweise parallel oder in Reihe zueinander schalten oder ein jeweiliges Energiespeicherelement bzw. ein jeweiliges Energiespeichermodul
überbrücken oder deaktivieren. Dadurch, dass die dazu benötigten Schaltelemente in einem jeweiligen Modul angeordnet sind, kann eine Ansteuerung der Schaltelemente mit einem minimalen Potentialunterschied zwischen den Schaltelementen erfolgen. Das erlaubt, dass die Ansteuerung bzw. Aktivierung der Schaltelemente akkurat gleichzeitig erfolgen kann. Durch die akkurate Schaltung und die Möglichkeit, benachbarte Module in Reihe oder parallel zueinander zu schalten, kann eine solche Batterie im Betrieb dynamisch umkonfiguriert werden, so dass die Batterie Gleichspannung, Wechselspannung oder andere Spannungsformen bereitstellen kann. Das heißt im Umkehrschluss aber auch, dass die Batterie mit Gleichspannung, Wechselspannung oder anderen Spannungsformen geladen werden kann.
Des Weiteren schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers vor, der mindestens drei Energiespeicherstränge mit jeweils mehreren
Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule jeweils mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, wobei die Vorrichtung wenigstens eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher und einer ersten Spule aufweist, wobei die erste Spule dazu ausgebildet ist, eine in der ersten Spule induzierte Spannung zum Laden der Energiespeicherelemente der
Energiespeichermodule des Energiespeichers bereitzustellen.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung jeweils eine elektrische Verbindung von einem jeweiligen Energiespeicherstrang zu der ersten Spule aufweist. Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher dazu ausgebildet ist, eine jeweilige Spannung an einem jeweiligen Energiespeicherstrang einzustellen.
Eine noch andere Ausführungsform der Vorrichtung weist eine Ladeanschlussvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist die elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher und der ersten Spule zu bewirken.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung weist eine Spulenvorrichtung auf, die die erste Spule und eine zweite Spule umfasst. Darüber hinaus schlägt die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen einer Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens vor. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Fig. 1 zeigt eine Übersicht eines Systemschaltbilds einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers mit einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt einen ersten Funktionszustand der Vorrichtung des Systemschaltbilds der Figur 1.
Figur 3 zeigt einen zweiten Funktionszustand der Vorrichtung des Systemschaltbilds der Figur 1, bei dem der Energiespeicher geladen wird.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figuren 6a und 6b zeigen noch weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Figur 1 ist ein Systemschaltbild 10a dargestellt. Ein Energiespeicher 14a ist mit einem Bordnetz 11 elektrisch verbunden. Das Bordnetz 11 ist dazu eingerichtet, mehrere Spannungsniveaus als Verbraucherspannung für jeweilige Verbraucher zu verwenden, bspw. 12V und 48V.
Der Energiespeicher 14a weist in der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform drei Energiespeicherstränge u, v, w auf. Jeder Energiespeicherstrang u, v, w weist jeweils fünf Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 auf. Hierbei sei angemerkt, dass die Anzahl n der Energiespeichermodule beliebig sein kann und somit auch mehr als fünf Energiespeichermodule vorhanden sein können, wobei stets n eine natürliche Zahl ist. Der positive Pol des Bordnetzes 11 ist dabei jeweils über eine elektrische Verbindung 32 mit einem positiven Anschluss eines jeweiligen
Energiespeichermoduls u-1 bzw. v-1 bzw. w-1 verbunden. Der negative Pol des
Bordnetzes 11 ist dabei jeweils über eine elektrische Verbindung 33 mit einem negativen Anschluss eines jeweiligen Energiespeichermoduls u-1 bzw. v-1 bzw. w-1 verbunden. In der Hinleitung 32 vom positiven Pol des Bordnetzes 11 zur Batterie 14a ist ein Schütz 34 und ein Schalter S9 in Reihe angeordnet. Im Übrigen sind die jeweiligen Module u-1 bis u- 5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 in dem jeweiligen Energiespeicherstrang u, v, w jeweils parallel geschaltet. An dem motorseitigen Ende der Stränge u, v, w (in der Figur 1 auf der rechten Seite) ist jeweils ein mit„A" gekennzeichneter Strommesser angeordnet. Diesem nachgeschaltet ist jeweils ein Schütz 36.
Die Stränge u, v, w sind jeweils mit jeweils einem Strang eines Motors 20 elektrisch verbunden. Der Motor weist drei Motorwicklungen 21 auf. Dabei ist ein Schalter Sl in der elektrischen Verbindung von Strang u zum Motor 20 und ein Schalter S2 in der elektrischen Verbindung von Strang v zum Motor 20 angeordnet, um diesen ggf. je nach Betriebsfunktion zu trennen oder zu verbinden. Mit dem Motor 20 ist eine
Ladeanschlussvorrichtung 38 elektrisch verbunden. Die Ladeanschlussvorrichtung 38 wird zum Laden der Batterie 14a mit jeweiligen eine Ladespannung bereitstellenden Energiequellen verbunden, wobei als Energiequellen Gleichspannungsquellen und/oder Wechselspannungsquellen in Betracht kommen. Im Wesentlichen stellt die
Ladeanschlussvorrichtung 38 eine Steckverbindung zum Verbinden mit einem jeweiligen Stecker der Energiequelle dar.
Die Ladeanschlussvorrichtung 38 weist mehrere Anschlüsse LI , L2, L3 zum Verbinden mit jeweiligen Phasen eines Drehstromnetzes auf. Des Weiteren weist die
Ladeanschlussvorrichtung 38 einen Neutralanschluss N auf. Schließlich weist die
Ladeanschlussvorrichtung 38 Anschlüsse„+" und„-" zum Verbinden mit einem
Gleichstromnetz auf. Zum jeweiligen Hinzuschalten oder Trennen des jeweiligen
Anschlusses LI , L2, L3, N,„+",„-" ist diesen jeweils ein Schalter S3 bis S7
nachgeschaltet. Der Schalter S4 ist dabei dazu eingerichtet, zwischen dem Anschluss„-" und dem Anschluss N zu schalten. Die Schalter S5, S6, S7 sind dazu eingerichtet, zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss LI , L2, L3 oder einem Koppelstrang 39 zu schalten. Der Schalter S3 ist dazu eingerichtet, den Anschluss„+" oder den Anschluss der Phase LI mit dem Koppelstrang 39 zu verbinden. Die Anschlüsse LI , L2 und L3 weisen zudem jeweils eine Spule 40 auf. Parallel zwischen dem Anschluss N und den jeweiligen Anschlüssen LI , L2 und L3 ist jeweils ein mit„U" gekennzeichneter
Spannungsmesser angeordnet. Ein mit„U" gekennzeichneter Spannungsmesser ist zudem zwischen dem Anschluss„+" und dem Anschluss„-" angeordnet.
Von dem Anschluss N bzw. dem Anschluss„-", je nach jeweiliger Stellung des Schalters S4, ist eine elektrische Verbindung 42 zu dem negativen Pol des Bordnetzes 11 bzw. zu der elektrischen Verbindung 33 ausgebildet. Die elektrische Verbindung 42 weist einen Schütz 44 auf. Zwischen der elektrischen Verbindung 42 und den jeweiligen Strängen u, v, w sind jeweils mit„U" gekennzeichnete Spannungsmesser parallel dazu geschaltet angeordnet, so dass eine Spannung zwischen dem jeweiligen Strang u, v, w und der elektrischen Verbindung 42 bestimmbar ist. Von der elektrischen Verbindung 42 zweigt zwischen dem Schütz 44 und dem Schalter S4 eine elektrische Verbindung zu einer ersten Spule 50 bzw. Koppelspule 50 ab. Die elektrische Verbindung der Koppelspule 50 verbindet die Koppelspule 50 mit dem Schalter S5 und dem Energiespeicherstrang u. Ein Schalter S8 trennt die elektrische Verbindung zwischen der Koppelspule 50 und dem Schalter S5 bzw. dem Strang u. Zwischen der elektrischen Verbindung der Koppelspule 50 und der elektrischen
Verbindung 42 ist ein weiterer Spannungsmesser U angeordnet.
Der Koppelspule 50 ist eine nicht zur Vorrichtung gehörende externe zweite Spule 52 zugeordnet. Die externe zweite Spule 52 ist mit einer eine Wechselspannung
bereitstellenden Energiequelle 12 verbunden.
Von den jeweiligen Spannungsmessern„U" und Strommessern„A", von dem Motor 20 bzw. von einem Resolver des Motors 20 und von der Batterie 14a werden Messdaten, wie z.B. einzelne Zellspannungen der einzelnen Energiespeichermodule oder die Temperatur an eine Zentralsteuerung 46 der Batterie 14a gesendet, dargestellt durch gestrichelte Pfeile in Richtung der Zentralsteuerung 46. Die Zentralsteuerung 46 weist zur Steuerung der jeweiligen Schalter der Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 einen Hochgeschwindigkeits-Bus 45 auf. An die Zentralsteuerung 46 ist auch eine Schaltersteuerung 48 zur Steuerung der Schalter Sl bis S9 angebunden.
Figur 2 zeigt das Systemschaltbild 10a wie es geschaltet ist, während eines
Motorbetriebs, also wenn die Batterie 14a den Motor 20 mit Energie versorgt. Der Übersichtlichkeit halber, sind nicht benötigte Mitglieder des Systemschaltbilds 10a aus Figur 1 ausgeblendet.
Zum Motorbetrieb ist der Schalter S9 geschlossen. Dadurch ist das Bordnetz 11 mit seinem jeweiligen positiven Pol und seinem jeweiligen negativen Pol mit der Batterie 14a elektrisch verbunden. Auch die Schalter Sl und S2 sind geschlossen, wodurch die Batterie 14a und der Motor 20 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Schalter S3 bis S7 sind so geschaltet, dass sie keine Funktion erfüllen bzw. die Ladeanschlussvorrichtung 38 getrennt ist. Dazu sind die Schalter S3 bis S7 geöffnet bzw. in eine Mittelstellung zwischen den jeweiligen möglichen Endstellungen geschaltet, so dass keine der Endstellungen elektrisch verbunden ist. Für die Schaltelemente S3 bis S7 sind andere als die gezeigten, die eine Öffnungsstellung neben mehreren weiteren Funktionsstellungen zulassen, alternativ möglich. Der Schalter S8 ist in diesem
Betriebszustand geöffnet, so dass die Koppelspule 50 vom Motor 20 getrennt ist.
Figur 3 zeigt das Systemschaltbild 10a der Figur 1 in dem Schaltzustand, der vorliegt, wenn über die Koppelspule 50 der Energiespeicher 14a geladen wird, wobei zunächst der Schalter S8 geöffnet ist.
Dazu ist das die Vorrichtung bzw. das System aufweisende Fahrzeug z.B. in eine entsprechende Ladevorrichtung gefahren, so dass die Koppelspule 50 im
Wirkungsbereich der externen zweiten Spule 52 angeordnet ist. Die Energiequelle 12 stellt eine Wechselspannung bereit, aufgrund derer sich in den Spulen 50, 52 ein magnetisches Wechselfeld einstellt. Aufgrund des magnetischen Wechselfeldes wird daraufhin eine Spannung in der Spule 50 induziert.
Die Spannungsmesser U messen die jeweiligen Spannungen, die an der Koppelspule 50 sowie den Strängen u, v, w anliegen. Bevor der Schalter S8 geschlossen wird, werden die jeweiligen Spannungen an den Strängen u, v, w auf einen mit der Spannung der Koppelspule 50 gemeinsamen Wert eingerichtet, so dass zwischen diesen kein
Spannungsunterschied vorliegt. Dies geschieht durch entsprechendes Stellen der Schaltelemente in den Energiespeichermodulen u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, w-1 bis w-5. Sobald dieser Zustand erreicht ist, kann der Schalter S8 geschlossen werden, wodurch die Koppelspule 50 mit dem Energiespeicher 14a verbunden wird. Die Schalter S5, S6, S7 sind jeweils so geschaltet, dass sie die jeweiligen Stränge bzw. Phasen u, v, w zusammenschalten. Dies erfolgt im Wesentlichen so, dass sie eine Verbindung mit dem Koppelstrang 39 (Figur 1) einnehmen, wodurch die Koppelspule 50 mit den Strängen v und w elektrisch verbunden ist. Eine elektrische Verbindung mit dem Strang u wird über eine eigene elektrische Verbindung ermöglicht. Damit der Energiespeicher 14a nun geladen werden kann, wird die Spannung des Energiespeichers 14a gegenüber der Spannung der Koppelspule 50 phasenverschoben, so dass an den Strängen u, v, w des Energiespeichers 14a jeweils eine kleinere
Spannung anliegt als an der Koppelspule 50. Es herrscht also ein Spannungsgefälle der Spannung zwischen der Koppelspule 50 und dem Energiespeicher 14a. Aufgrund dieses Spannungsgefälles fließt Energie bzw. Strom in die Energiespeicher der
Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, w-1 bis w-5, wodurch diese aufgeladen werden.
Der Schalter S9 ist ebenfalls geschlossen, so dass der Energiespeicher 14a mit dem Bordnetz 11 verbunden ist. Vom Sternpunkt des Energiespeichers 14a erfolgt der Niedervoltabgriff zum Betreiben der Schütze des Schaltbilds 10a. Die Figur 4 zeigt das Schaltbild 10b, das eine weitere Möglichkeit zum Laden eines Energiespeichers bzw. einer Batterie 14b mit einer Wechselspannungsquelle als
Energiequelle 12 und einer Spulenvorrichtung 24 darstellt. Die Wechselspannungsquelle 12 ist über einen Anschluss 16* mit der Batterie 14b elektrisch verbunden. Zwischen der Wechselspannungsquelle 12 und dem Anschluss 16* ist die Spulenvorrichtung 24 angeordnet.
Die Batterie 14b weist, hier ebenfalls bespielhaft dargestellt, drei Energiespeicherstränge u, v, w bzw. Batteriestränge u, v, w auf. Die Stränge u, v, w sind zueinander parallel geschaltet. Jeder der Stränge u, v, w weist mehrere Energiespeichermodule u-1 , u-2, u-3, u-4, u-5 bzw. v-1 , v-2, v-3, v-4, v-5 bzw. w-1 , w-2, w-3, w-4, w-5 auf, die auch als
Batteriemodule bezeichnet werden. Es sei auch hier wiederum angemerkt, dass die Anzahl n der Energiespeichermodule beliebig sein kann und somit auch mehr als fünf Energiespeichermodule je Strang vorhanden sein können, wobei n stets eine natürliche Zahl ist. Jeder Strang u, v, w weist dazu zusätzlich noch ein Schaltermodul u-S, v-S, w-S auf. Ein solches jeweiliges Schaltermodul u-S, v-S, w-S kann bspw. ein MOSFET sein. Der MOSFET reduziert den Doppelabgriff der Module u-1, v-1 , w-1 auf einen Abgriff. Die jeweiligen Module u-1 bis u-5 und u-S, v-1 bis v-5 und v-S, w-1 bis w-5 und w-S sind jeweils innerhalb ihres jeweiligen Strangs parallel zueinander geschaltet. Über einen jeweiligen Anschluss 18-u, 18-v, 18-w sind die Stränge u, v, w bzw. die Batterie 14b mit einem Motor 20 elektrisch verbunden. Der Motor 20 entspricht dabei dem in den voranstehend beschriebenen Figuren dargestellten Motor 20 und weist drei Wicklungs- bzw.
Phasenstränge mit den Wicklungen 21 auf.
Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform weist noch eine der Wechselspannungsquelle 12 nachgeschaltete Spulenvorrichtung 24 in Form eines Transformators 24 auf. Dadurch wird die Wechselstromspannungsquelle 12 galvanisch von dem Energiespeicher 14b getrennt, wodurch Sicherheitsaspekte der Schaltung angesprochen werden. Die
Spulenvorrichtung 24 weist im Wesentlichen zwei Spulen auf. Gegenüber der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform sind in dieser Ausführungsform die erste Spule 50 und die zweite Spule 52 in der Spulenvorrichtung 24 zusammengefasst.
Die in der Figur 4 gezeigte Ausführungsform ermöglicht ein direktes, einphasiges Laden der Batterie 14b. Die Rückleitung zur Energiequelle 12 erfolgt dabei über den Sternpunkt des Motors 20. Zum Ausbilden einer Wechselspannungssenke wird die Batterie 14b auf den Strom der Energiequelle 12 aufgeregelt. Das heißt, die Batterie 14b wird an die Energiequelle 12 bzw. an die von der ersten Spule 50 bereitgestellte Spannung angepasst.
Maßgeblich bei diesem Ladeverfahren sind die Frequenz und die Spannung der
Energiequelle 12 bzw. der von der Koppelspule 50 bereitgestellten Wechselspannung. Die jeweiligen Batteriemodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 werden dazu so geschaltet, dass die jeweiligen Stränge u, v, w der Frequenz und der Spannung der Spulenvorrichtung 24 entsprechen. Die Energiequelle 12 stellt eine Ladespannung mit einer bestimmten Frequenz bereit. Abhängig von den jeweiligen Eigenschaften der Spulenvorrichtung 24 mit der ersten und zweiten Spule 50, 52 wird von der
Spulenvorrichtung dem Energiespeicher 14b eine entsprechende veränderte Spannung bereitgestellt. Wie einleitend erläutert, weisen die jeweiligen Batteriemodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 mehrere Schaltelemente auf, die es erlauben, die jeweiligen Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 bzw. die in den jeweiligen Modulen angeordneten Energiespeicherelemente dynamisch zwischen einer Parallelschaltung und/oder einer Reihenschaltung zueinander umzuschalten. Dadurch lassen sich jeweilige Frequenzen und Spannungen in den jeweiligen Modulen u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 bzw. den Batteriesträngen u, v, w einstellen, so dass sich die Batterie 14b an die bereitgestellte Frequenz und Spannung der Spulenvorrichtung 24 anpassen lässt. Hierzu sind auch die Schaltermodule u-S, v-S und w-S erforderlich. Da an den jeweiligen
Strängen u, v, w jeweils nur eine Teilspannung anliegt, führen die Schaltermodule u-S, v-S und w-S die Stränge u, v, w zu einem gemeinsamen Sternpunkt der Batterie 14b zusammen. Über den Sternpunkt 16* der Batterie 14b kann die von der
Spulenvorrichtung 24 bereitgestellte Wechselspannung zentral eingespeist werden.
Durch die Rückleitung über den Sternpunkt des Motors 20, muss der Motor 20 während des Ladevorgangs nicht von der Batterie 14b getrennt werden. Jedoch werden die jeweiligen Module der ersten Spannungsstufe entkoppelt, d.h. sie werden einzeln ansteuerbar, so dass auch diese parallel, in Reihe oder überbrückend zu jeweiligen benachbarten Modulen geschaltet werden können. Anderenfalls wäre lediglich eine Parallelschaltung möglich.
Das in Figur 5 gezeigte Schaltbild 10c entspricht im Wesentlichen dem in der Figur 4 gezeigten Schaltbild 10b, wobei das Schaltbild 10c der Figur 5 zwei Schalter SWKl , SWK2 aufweist, die zwischen den Anschlüssen 18-u, 18-v, 18-w angeordnet sind, über die die Batterie 14b mit den jeweiligen Wicklungssträngen mit den jeweiligen Wicklungen 21 des Motors 20 verbunden ist. Der Schalter SWKl ist zwischen den Anschlüssen 18-u und 18-v angeordnet. Der Schalter SWK2 ist zwischen den Anschlüssen 18-v und 18-w angeordnet. Die in Figur 5 gezeigte Ausführungsform weist die Spulenvorrichtung 24 auf, die die Energiequelle 12 galvanisch von der Batterie 14b trennt. Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform wird die Batterie 14b direkt, einphasig geladen, wobei der Motor 20 bzw. die Stränge mit den Wicklungen 21 (Wicklungsstränge) des Motors 20 über die Schalter SWKl und SWK2 kurzgeschlossen werden. Dadurch muss der Motor 20 nicht von der Batterie 14b während des Ladevorgangs getrennt werden und es treten keine Spannungsabfälle über den Wicklungen 21 des Motors 20 auf. Das Kurzschließen der Stränge erfolgt, indem die Schalter SWKl und SWK2 jeweils geschlossen werden. Hierzu ist ggf. eine nicht gezeigte Ansteuerung der Schalter SWKl , SWK2 erforderlich.
Die Figuren 6a und 6b zeigen weitere Möglichkeiten zum Laden eines Energiespeichers 14c. Dazu zeigen die Figuren 6a und 6b Schaltbilder 10d und 10e, in denen
Ausführungsformen gezeigt sind, bei denen die Batterie 14c mit zwei Spannungsquellen 12, 13 elektrisch verbunden ist. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Figuren 6a und 6b ermöglichen ein Laden des Energiespeichers 14c mittels
Wechselstrom sowohl einphasig, als auch dreiphasig. Jedenfalls ist in den
Ausführungsformen der Figuren 6a und 6b jeweils eine Drehstromspannungsquelle 13 vorgesehen, die mehrere Phasen aufweist, und jeweils die vorstehend gezeigte
Spannungsquelle 12 vorgesehen, die lediglich eine Phase aufweist.
Die jeweiligen Energiespeichermodule der Energiespeicherstränge u, v, w sind jeweils parallel zueinander geschaltet. Schalter SSP1 und SSP2 trennen den Sternpunkt der Batterie 14c auf. Zum Laden der Batterie 14c mittels der Drehstromspannungsquelle 13 sind die Schalter SSP1 und SSP2 geöffnet. Zum Laden der Batterie 14c mittels der einphasigen Spannungsquelle 12 sind die Schalter SSP1 und SSP2 zu schließen, so dass die Energiequelle 12 über den Sternpunkt des Energiespeichers 14c eingebunden ist. Die Energiequelle 12 ist über einen Anschluss 26 und über einen Anschluss 28 mit der Batterie 14c verbunden.
Die in den Schaltbildern 10d und 10e gezeigten Ausführungsformen weisen die Schalter SWKl und SWK2 auf, die zwischen den Strängen des Motors 20 angeordnet sind, um die Stränge des Motors 20 zusammenzuschalten. Die Schaltbilder 10d und 10e weisen des Weiteren drei Spulen 30 auf. Eine Spule 30 ist jeweils mit einer Phase L1 , L2, L3 der Energiequelle 13 und mit einem jeweiligen Anschluss der Batterie 14c elektrisch verbunden. In dem in Figur 6b gezeigten Schaltbild 10e ist dem Ladegerät 13 zur galvanischen Trennung eine Spulenvorrichtung 25 bzw. ein Transformator 25 nachgeschaltet.
In dem in den Figuren 6a und 6b gezeigten Schaltbildern 10d bzw. 10e ist der einphasigen Wechselstromspannungsquelle 12 eine Spulenvorrichtung 24
nachgeschaltet. Die Spulenvorrichtung 24 weist die erste Spule 50 und die zweite Spule 52 auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z.B. in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Durch das induktive Laden über die Koppelspule 50 kann auf eine Kabelverbindung zwischen Fahrzeug und Ladeeinrichtung verzichtet werden. Indem die
Energiespeichermodule beliebig geschaltet werden können, sind sie an jede
bereitgestellte Spannung anpassbar. Beispielsweise können von der Koppelspule 50 Frequenzen im Bereich von 15kHz bis 20 kHz oder mehr bereitgestellt werden, die unmittelbar in den Energiespeicher 14a, 14b, 14c eingespeist werden können. Die Schaltelemente der Energiespeichermodule können den Energiespeicher an eine solche Frequenz anpassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laden eines Energiespeichers (14a, 14b, 14c) bei dem ein
Energiespeicher (14a, 14b, 14c) verwendet wird, der mindestens drei
Energiespeicherstränge (u, v, w) mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen (u-1 bis u- 5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) aufweist, wobei die jeweiligen
Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle (12, 13) Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher (14a, 14b, 14c) mit einer ersten Spule (50) verbunden wird, wobei eine in der ersten Spule (50) induzierte Spannung zum Laden der Energiespeicherelemente der
Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) des
Energiespeichers (14a, 14b, 14c) verwendet wird, wobei der Energiespeicher (14a, 14b, 14c) durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens ein Energiespeichermodul (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) überbrückt wird, an Eigenschaften der von der ersten Spule (50) bereitgestellten Spannung angepasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher (14a) und der ersten Spule (50) über eine
Ladeanschlussvorrichtung (38) zum Verbinden mit einer externen Energiequelle geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein
Energiespeicherstrang (u, v, w) mit der ersten Spule (50) elektrisch verbunden wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem jeweiligen Energiespeicherstrang (u, v, w) durch Schalten der Schaltelemente der Energiespeichermodule eine geringere Spannung eingestellt wird, als von der ersten Spule (50) bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Spule (50) eine zweite Spule (52) zugeordnet wird, die mit einer Energiequelle (12) verbunden wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14a) während eines Ladevorgangs mit einem Bordnetz (11) eines Fahrzeugs verbunden bleibt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher (14a, 14b, 14c) eine Wechselstrombatterie verwendet wird.
8. Vorrichtung (10a bis 10e) zum Laden eines Energiespeichers (14a, 14b, 14c), der mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) mit jeweils mehreren
Energiespeichermodulen (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle (12, 13) Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, wobei die Vorrichtung wenigstens eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher (14a, 14b, 14c) und einer ersten Spule (50) aufweist, wobei die erste Spule (50) dazu ausgebildet ist, eine in der ersten Spule (50) induzierte Spannung zum Laden der Energiespeicherelemente der Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w- 1 bis w-5, w-n) des Energiespeichers (14a, 14b, 14c) bereitzustellen.
9. Vorrichtung (10a bis 10e) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung jeweils eine elektrische Verbindung von einem jeweiligen
Energiespeicherstrang (u, v, w) zu der ersten Spule (50) aufweist.
10. Vorrichtung (10a bis 10e) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (14a, 14bm 14c) dazu ausgebildet ist, eine jeweilige Spannung an einem jeweiligen Energiespeicherstrang (u, v, w) einzustellen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die eine Ladeanschlussvorrichtung (38) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Energiespeicher (14a, 14b, 14c) und der ersten Spule (50) zu bewirken.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , die eine Spulenvorrichtung (24) aufweist, die die erste Spule (50) und die zweite Spule (52) umfasst.
13. Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
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