DE102010041036A1 - System for charging an energy store and method for operating a charging system - Google Patents

System for charging an energy store and method for operating a charging system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren Energiespeichers (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) aufweist, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen, einerseits mit einer Bezugsschiene (T–) und andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbunden sind. In Abhängigkeit von Steuersignalen überbrücken die Koppeleinheiten (6) die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1, 3-2; 3-3). Für alle Energiespeichermodule (4) wird eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) charakterisierende Größe ermittelt und die Koppeleinheiten (6) werden in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) gesteuert.The invention relates to a method for operating a controllable energy store (2), which is used to control and supply electrical energy to an n-phase electrical machine (1) with n ≥ 1. The controllable energy store (2) has n parallel energy supply branches (3-1, 3-2, 3-3), each of which has at least two energy storage modules (4) connected in series, each of which has at least one electrical energy storage cell (5) with one assigned controllable coupling unit (6), are connected on the one hand to a reference rail (T–) and on the other hand to a respective phase (U, V, W) of the electrical machine (1). Depending on control signals, the coupling units (6) bridge the respectively assigned energy storage cells (5) or they switch the respectively assigned energy storage cells (5) into the respective energy supply branch (3-1, 3-2; 3-3). For all energy storage modules (4), a variable characterizing a current state of charge of the respective energy storage cells (5) is determined, and the coupling units (6) are determined as a function of a predetermined target output voltage for the respective energy supply branch (3-1; 3-2; 3 -3) and controlled by the current state of charge of the energy storage cells (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Laden eines Energiespeichers und ein Verfahren zum Betrieb des Ladesystems.The invention relates to a system for charging an energy store and a method for operating the charging system.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z. B. Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. In herkömmlichen Anwendungen wird eine elektrische Maschine, welche z. B. als Drehfeldmaschine ausgeführt ist, über einen Umrichter in Form eines Wechselrichters gesteuert. Kennzeichnend für derartige Systeme ist ein sogenannter Gleichspannungszwischenkreis, über welchen ein Energiespeicher, in der Regel eine Batterie, an die Gleichspannungsseite des Wechselrichters angeschlossen ist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Energiespeicher 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.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, such. As wind turbines, as well as in vehicles such as hybrid or electric vehicles, increasingly electronic systems are used, combining new energy storage technologies with electric drive technology. In conventional applications, an electrical machine, which z. B. is designed as a rotating field machine, controlled by a converter in the form of an inverter. Characteristic of such systems is a so-called DC voltage intermediate circuit, via which an energy store, usually a battery, is connected to the DC side of the inverter. In order to meet the power and energy requirements of each application, multiple battery cells are connected in series. Since the power provided by such an energy store must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current.

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 Wind, 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.The series connection of several battery cells in addition to a high total voltage involves the problem that the entire energy storage fails if a single battery cell fails, because then no battery power can flow. Such a failure of the energy storage can lead to a failure of the entire system. In a vehicle, failure of the traction battery can result in the vehicle "stalling". For other applications, such as. B. the rotor blade adjustment of wind turbines, it may be in unfavorable conditions such. B. strong wind, even come to safety-threatening situations. Therefore, a high reliability of the energy storage is always desirable, with "reliability" is the ability of a system to work for a given time error-free.

In den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027 857 und DE 10 2010 027 861 sind Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische 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. Der zur Steuerung der elektrischen Maschine erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Batterie integriert. Zum Zwecke der Offenbarung werden diese beiden älteren Anmeldungen vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen.In the older applications DE 10 2010 027 857 and DE 10 2010 027 861 Batteries are described with multiple battery module strings, which are directly connected to an electrical machine. The battery module strands in this case have a plurality of battery modules connected in series, each battery module having 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 each assigned to switch at least one battery cell in the respective battery module string. By suitable control of the coupling units, z. B. by means of pulse width modulation, suitable phase signals for controlling the electric machine can be provided, so that can be dispensed with a separate pulse inverter. The required for controlling the electrical machine pulse inverter is so to speak integrated into the battery. For purposes of disclosure, these two earlier applications are fully incorporated into the present application.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren Energiespeichers, welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n ≥ 1, dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher n parallele Energieversorgungszweige auf, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. In Abhängigkeit von Steuersignalen überbrücken die Koppeleinheiten entweder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig. Für alle Energiespeichermodule wird eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen charakterisierende Größe ermittelt und die Koppeleinheiten werden in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen gesteuert.The present invention provides a method for operating a controllable energy store, which serves the control and the electrical power supply of an n-phase electric machine, with n ≥ 1. In this case, the controllable energy storage on n parallel power supply branches, each having at least two series-connected energy storage modules, each comprising at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit. In response to control signals, the coupling units either bridge the respectively assigned energy storage cells or they switch the respectively assigned energy storage cells into the energy supply branch. For all energy storage modules one, a current state of charge of the respective energy storage cell characterizing size is determined and the coupling units are controlled in response to a predetermined target output voltage for the respective power supply branch and the respective current state of charge of the energy storage cells.

Die vorliegende Erfindung schafft auch ein System zur Steuerung und zur elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n ≥ 1. Das System umfasst dabei einen steuerbaren Energiespeicher, welcher n parallele Energieversorgungszweige aufweist, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. Die Energieversorgungszweige sind einerseits mit einer Bezugsschiene und andererseits mit jeweils einer Phase der elektrischen Maschine verbindbar. In Abhängigkeit von Steuersignalen überbrücken die Koppeleinheiten entweder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig. Das System weist außerdem Ladezustandsüberwachungseinheiten auf, welche für alle Energiespeichermodule eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen charakterisierende Größe ermitteln. Ein Steuergerät steuert dann die Koppeleinheiten in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen.The present invention also provides a system for controlling and supplying electrical energy to an n-phase electric machine, where n ≥ 1. The system comprises a controllable energy store, which has n parallel power supply branches, each having at least two series-connected energy storage modules, which each comprise at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit. The power supply branches are on the one hand connected to a reference rail and on the other hand, each with a phase of the electric machine. In response to control signals, the coupling units either bridge the respectively assigned energy storage cells or they switch the respectively assigned energy storage cells into the energy supply branch. The system also has state of charge monitoring units which are common to all Energy storage modules determine a, a current state of charge of the respective energy storage cell characterizing size. A control unit then controls the coupling units as a function of a predetermined desired output voltage for the respective power supply branch and of the respectively current state of charge of the energy storage cells.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Steuert man eine elektrische Maschine mit einem derartigen steuerbaren Energiespeicher an, so kann durch Überbrücken und Zuschalten der einzelnen Energiespeicherzellen eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung nachgebildet werden. Werden jedoch keine weiteren Vorsorgemaßnahmen getroffen, so werden die einzelnen Energiespeichermodule und damit auch die Energiespeicherzellen nicht mit gleicher Häufigkeit genutzt und damit ungleichmäßig belastet. Dies führt aber zu der in der Regel unerwünschten Situation unterschiedlicher Ladezustände in den einzelnen Energiespeichermodulen.If an electrical machine with such a controllable energy store is controlled, an approximately sinusoidal output voltage can be reproduced by bypassing and connecting the individual energy storage cells. However, if no further precautionary measures are taken, the individual energy storage modules and thus also the energy storage cells are not used with the same frequency and thus burdened unevenly. However, this leads to the generally undesirable situation of different states of charge in the individual energy storage modules.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System ermöglichen es, bei der Steuerung der Koppeleinheiten auf den aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen Rücksicht zu nehmen und wann immer möglich, einem Auseinanderlaufen der Ladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen entgegen zu wirken. Es wird damit die Möglichkeit einer gleichmäßigen Lastverteilung – häufig auch als Balancing bezeichnet – ohne jeglichen zusätzlichen Energie- oder Schaltungsaufwand geschaffen.The inventive method and the inventive system make it possible to take into account in the control of the coupling units on the current state of charge of the energy storage cells and, whenever possible, to counteract a divergence of the charge states of the individual energy storage cells. It is thus the possibility of a uniform load distribution - often referred to as balancing - created without any additional energy or circuit complexity.

Eine gleichmäßige Belastung der Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zur Ausgabe von Spannungen unterhalb einer maximalen Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweiges die an der Bereitstellung der Spannung beteiligten Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen gewechselt werden.A uniform loading of the energy storage modules or energy storage cells can be achieved, for example, by the fact that, for the output of voltages below a maximum output voltage of a power supply branch, the energy storage modules or energy storage cells involved in the provision of the voltage are exchanged.

Demgemäß sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Koppeleinheiten eines Energieversorgungszweiges in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen in dem entsprechenden Energieversorgungszweig gesteuert werden, wenn eine aktuell vorgegebene Soll-Ausgangsspannung des Energieversorgungszweiges durch k Energiespeicherzellen, mit k < m, in dem Energieversorgungszweig bereit gestellt werden kann.Accordingly, an embodiment of the invention provides that the coupling units of a power supply branch depending on the respective current state of charge of the energy storage cells are controlled in the corresponding power supply branch when a currently predetermined target output voltage of the power supply branch through k energy storage cells, with k <m, in the power supply branch can be provided.

So können z. B. für den Fall, dass durch den Energieversorgungszweig Strom abgegeben wird, diejenigen k Energiespeicherzellen durch entsprechende Steuerung der zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungszweig geschaltet werden, welche aktuelle die größte Ladung aufweisen. Umgekehrt können für den Fall, dass von dem Energieversorgungszweig Strom aufgenommen wird, diejenigen k Energiespeicherzellen durch entsprechende Steuerung der zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungszweig geschaltet werden, welche aktuelle die geringste Ladung aufweisen.So z. B. in the event that power is supplied by the power supply branch, those k energy storage cells are switched by appropriate control of the associated coupling units in the power supply branch, which currently have the largest charge. Conversely, for the case that is taken up by the power supply branch current, those k energy storage cells are switched by appropriate control of the associated coupling units in the power supply branch, which currently have the lowest charge.

Auf diese Weise werden zunächst immer diejenigen Energiespeicherzellen entladen, welche aktuell die größte Ladung aufweisen und diejenigen Energiespeicherzellen geladen, welche aktuell die niedrigste Ladung aufweisen. Der Ladezustand aller Energiespeicherzellen gleicht sich damit automatisch an. Es können auch Energiespeichermodule mit leicht unterschiedlicher Speicherkapazität in einem Energieversorgungszweig verwendet werden, ohne dass die Kapazitäts-Ausnutzung der lesitungsfähigeren Energiespeichermodule beeinträchtigt wird. Das heißt das Energiespeichermodul mit der geringsten Speicherkapazität bestimmt nicht mehr die Leistung des gesamten Energieversorgungszweiges. Darüber hinaus werden defekte Energiespeichermodule für die Bereitstellung einer Ausgangsspannung automatisch nicht mehr verwendet und schränken damit die Grundfunktionalität des steuerbaren Energiespeichers nicht ein.In this way, first those energy storage cells are always discharged, which currently have the largest charge and those energy storage cells loaded, which currently have the lowest charge. The state of charge of all energy storage cells is thus equalized automatically. It is also possible to use energy storage modules with slightly different storage capacities in a power supply branch without impairing the capacity utilization of the energy storage modules that can be read. That is, the energy storage module with the least storage capacity no longer determines the performance of the entire power supply branch. In addition, defective energy storage modules for the provision of an output voltage are automatically no longer used and thus do not limit the basic functionality of the controllable energy storage.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer steuerbaren Energieversorgung und 1 a schematic representation of an electrical machine with a controllable power supply and

2 eine grafische Darstellung der einstellbaren Ausgangsspannungen eines Energieversorgungszweiges. 2 a graphical representation of the adjustable output voltages of a power supply branch.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

An eine dreiphasige elektrische Maschine 1 ist ein steuerbarer Energiespeicher 2 angeschlossen (1). Der steuerbare Energiespeicher 2 umfasst drei Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3, welche einerseits mit einem Bezugspotential T– (Bezugsschiene), welches in der dargesetellten Ausführungsform ein neidriges Potential führt, und andererseits jeweils mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind. Jeder der Energieversorgungszweige 3-1, 3-2 und 3-3 weist m in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 4-11 bis 4-1m bzw. 4-21 bis 4-2m bzw. 4-31 bis 4-3m auf, wobei m ≥ 2. Die Energiespeichermodule 4 wiederum umfassen jeweils mehrere in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherzellen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich in dem mit der Phase W der elektrischen Maschine 1 verbundenen Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 5-31 bis 5-3m versehen sind. Die Energiespeichermodule 4 umfassen des Weiteren jeweils eine Koppeleinheit, welche den Energiespeicherzellen 5 des jeweiligen Energiespeichermoduls 4 zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind auch die Koppeleinheiten lediglich in dem Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 6-31 bis 6-3m versehen. In der dargestellten Ausführungsvariante werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch zwei steuerbare Schaltelemente 7-311 und 7-312 bis 7-3m1 und 7-3m2 gebildet. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z. B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein. Gesteuert werden die Schaltelemente 7 und damit die Koppeleinheiten 6 durch ein schematisch dargestelltes Steuergerät 8.To a three-phase electric machine 1 is a controllable energy store 2 connected ( 1 ). The controllable energy storage 2 includes three energy supply branches 3-1 . 3-2 and 3-3 , which on the one hand with a reference potential T- (reference rail), which leads in the illustrated embodiment, a neidriges potential, and on the other hand in each case with individual phases U, V, W of the electric machine 1 are connected. Each of the power supply branches 3-1 . 3-2 and 3-3 has m series connected energy storage modules 4-11 to 4-1m respectively. 4-21 to 4-2m respectively. 4-31 to 4-3m on, where m ≥ 2. The energy storage modules 4 In turn, each comprise a plurality of series-connected electrical energy storage cells, which for reasons of clarity, only in that with the phase W of the electric machine 1 connected energy supply branch 3-3 with reference number 5-31 to 5-3m are provided. The energy storage modules 4 Furthermore, each comprise a coupling unit, which the energy storage cells 5 of the respective energy storage module 4 assigned. For reasons of clarity, the coupling units are only in the power supply branch 3-3 with reference number 6-31 to 6-3m Mistake. In the illustrated embodiment, the coupling units 6 each by two controllable switching elements 7-311 and 7-312 to 7-3m1 and 7-3m2 educated. The switching elements can be used as a power semiconductor switch, z. B. in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), be executed. The switching elements are controlled 7 and thus the coupling units 6 by a schematically illustrated control unit 8th ,

Die Koppeleinheiten 6 ermöglichen es, den jeweiligen Energieversorgungszweig 3, durch Öffnen beider Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 zu unterbrechen.The coupling units 6 allow it, the respective energy supply branch 3 , by opening both switching elements 7 a coupling unit 6 to interrupt.

Alternativ können die Energiespeicherzellen 5 durch Schließen jeweils eines der Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 entweder überbrückt werden, z. B. Schließen des Schalters 7-311 oder in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden, z. B. Schließen des Schalters 7-312.Alternatively, the energy storage cells 5 by closing each one of the switching elements 7 a coupling unit 6 either be bridged, z. B. closing the switch 7-311 or in the respective energy supply branch 3 be switched, z. B. closing the switch 7-312 ,

Die Koppeleinheiten 6 erlauben es damit, die Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinheiten 6 durch den steuerbaren Energiespeicher 2 gesteuert werden. Der steuerbare Energiespeicher 2 erfüllt also insofern eine Doppelfunktion, da er einerseits der elektrischen Energieversorgung andererseits aber auch der Steuerung der elektrischen Maschine 1 dient.The coupling units 6 allow it, the phases U, V, W of the electric machine 1 either to switch against a high reference potential or a low reference potential and thus can fulfill the function of a known inverter. This allows performance and mode of operation of the electric machine 1 with suitable control of the coupling units 6 through the controllable energy storage 2 to be controlled. The controllable energy storage 2 Thus fulfills a dual function insofar as it on the one hand the electrical power supply on the other hand, but also the control of the electric machine 1 serves.

Die elektrische Maschine 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als dreiphasige Drehstrommaschine ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Nach der Phasenanzahl der elektrischen Maschine richtet sich natürlich auch die Anzahl der Energieversorgungszweige 3 in dem steuerbaren Energiespeicher 2.The electric machine 1 In the illustrated embodiment, it is designed as a three-phase three-phase machine, but may also have fewer or more than three phases. After the number of phases of the electric machine, of course, the number of energy supply branches 3 in the controllable energy storage 2 ,

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jedes Energiespeichermodul 4 jeweils mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5 auf. Die Energiespeichermodule 4 können aber alternativ auch jeweils nur eine einzige Energiespeicherzelle oder auch parallel geschaltete Energiespeicherzellen aufweisen.In the illustrated embodiment, each energy storage module 4 in each case a plurality of energy storage cells connected in series 5 on. The energy storage modules 4 but may alternatively have only a single energy storage cell or parallel energy storage cells.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch zwei steuerbare Schaltelemente 7 gebildet. Die Koppeleinheiten 6 können aber auch durch mehr oder weniger steuerbare Schaltelemente realisiert sein, solange die notwendigen Funktionen (Überbrücken der Energiespeicherzellen und Schalten der Energiespeicherzellen in den Energieversorgungszweig) realisierbar sind. Beispielhafte alternative Ausgestaltungen einer Koppeleinheit ergeben sich aus den älteren Anmeldungen DE XX und DE YY. Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, dass die Koppeleinheiten Schaltelemente in Vollbrückenschaltung aufweisen, was die zusätzliche Möglichkeit einer Spannungsumkehr am Ausgang des Energiespeichermoduls bietet.In the illustrated embodiment, the coupling units 6 each by two controllable switching elements 7 educated. The coupling units 6 but can also be realized by more or less controllable switching elements, as long as the necessary functions (bridging the energy storage cells and switching the energy storage cells in the power supply branch) can be realized. Exemplary alternative embodiments of a coupling unit result from the older applications DE XX and DE YY. In addition, it is also conceivable that the coupling units have switching elements in full bridge circuit, which offers the additional possibility of a voltage reversal at the output of the energy storage module.

Mit Hilfe der Koppeleinheiten 6 können die Energiespeicherzellen 5 der einzelnen Energiespeichermodule 4 entweder in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet und damit additiv an der Ausgangsspannung des entsprechenden Energieversorgungszweiges 3 beteiligt werden oder überbrückt werden, so dass die betreffenden Energiespeicherzellen 5 nicht an der Bereitstellung der Ausgangssspannung beteiligt sind. Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige 3-1 bis 3-3 werden damit bestimmt durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 und können stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Spannung der einzelnen Energiespeichermodule 4. Geht man von der bevorzugten Ausführungsform gleichartig ausgestalteter Energiespeichermodule 4 aus, so ergibt sich eine maximal mögliche Gesamt-Ausgangsspannung U_aus aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls 4 mal der Anzahl m der pro Energieversorgungszweig in Reihe geschalteten Energiespeichermodule 4. Eine derartige stufig-einstellbare Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweiges ist in 2 schematisch dargestellt.With the help of the coupling units 6 can the energy storage cells 5 the individual energy storage modules 4 either in the respective energy supply branch 3 switched and thus additively to the Output voltage of the corresponding power supply branch 3 be involved or bridged so that the energy storage cells concerned 5 are not involved in providing the output voltage. The total output voltages of the power supply branches 3-1 to 3-3 are thus determined by the respective switching state of the controllable switching elements 7 the coupling units 6 and can be set in stages. The grading results depending on the voltage of the individual energy storage modules 4 , Starting from the preferred embodiment of similarly configured energy storage modules 4 from, then results in a maximum possible total output voltage U_aus from the voltage of a single energy storage module 4 times the number m of the energy storage modules connected in series per energy supply branch 4 , Such a step-adjustable output voltage of a power supply branch is in 2 shown schematically.

Speist ein Energieversorgungszweig 3 des steuerbaren Energiespeichers 2 einen Ausgangsstrom in die zugehörige Phase U, V, W der elektrischen Maschine 1 ein, so werden nur diejenigen Energiespeicherzellen 5 entladen, welche aktuell in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet sind. Wird von der elektrischen Maschine 1 ein Strom in einen Energieversorgungszweig 3 des steuerbaren Energiespeichers 2 zurückgespeist, so werden umgekehrt auch nur diejenigen Energiespeicherzellen 5 geladen, welche aktuell in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet sind und damit an der Bereitstellung der aktuellen Ausgangsspannung des entsprechenden Energieversorgungszweiges 3 beteiligt sind.Feeds a power supply branch 3 the controllable energy storage 2 an output current in the associated phase U, V, W of the electric machine 1 a, so only those energy storage cells 5 unload, which currently in the respective energy supply branch 3 are switched. Is from the electric machine 1 a stream in a power supply branch 3 the controllable energy storage 2 fed back, so only those energy storage cells are reversed 5 loaded, which currently in the respective energy supply branch 3 are switched and thus to the provision of the current output voltage of the corresponding power supply branch 3 involved.

Um eine gleichmäßige Belastung aller Energiespeichermodule 4 bzw. Energiespeicherzellen 5 zu erreichen, werden die an der Bereitstellung einer Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweiges 3 zu beteiligenden Energiespeicherzellen 5, für den Fall, dass zur Bereitstellung der aktuellen Soll-Ausgangsspannung weniger (k) als die maximale Anzahl (m) der Energiespeichermodule 4 benötigt werden, in Abhängigkeit von ihrem aktuellen Ladezustand ausgewählt. Hierzu sind Ladezustandsüberwachungseinheiten 9 vorgesehen, welche für alle Energiespeichermodule eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen 5 charakterisierende Größe, wie z. B. die aktuelle Spannung der jeweiligen Energiespeicherzellen 5 ermitteln. In 1 ist beispielhaft eine derartige Ladezustandüberwachungseinheit 9 in Form einer Spannungssensorik für die Energiespeicherzellen 5-31 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine entsprechende Darstellung der Ladezustandüberwachungseinheiten 9 für die übrigen Energiespeicherzellen 5 verzichtet.For a uniform load of all energy storage modules 4 or energy storage cells 5 to achieve that are the provision of an output voltage of a power supply branch 3 to be involved energy storage cells 5 in the event that to provide the current target output voltage less (k) than the maximum number (m) of the energy storage modules 4 be selected depending on their current state of charge selected. For this are state of charge monitoring units 9 provided, which for all energy storage modules one, a current state of charge of the respective energy storage cells 5 characterizing size, such. B. the current voltage of the respective energy storage cells 5 determine. In 1 is an example of such a state of charge monitoring unit 9 in the form of a voltage sensor for the energy storage cells 5-31 shown. For reasons of clarity, attention has been drawn to a corresponding representation of the state of charge monitoring units 9 for the remaining energy storage cells 5 waived.

Wird nun durch einen Energieversorgungszweig 3 Strom abgegeben, das heißt in die entsprechende Phase U, V, W der elektrischen Maschine 1 eingespeist, so werden diejenigen k Energiespeicherzellen 5 an der Bereitstellung der Ausgangsspannung beteiligt, welche aktuell die größte Ladung aufweisen. Dies erfolgt konkret dadurch, dass die ermittelten Ladungszustände durch das Steuergerät 8 ausgewertet werden und die den k Energiespeicherzellen 5 mit der größten Ladung jeweils zugeordneten Koppeleinheiten 6 durch das Steuergerät 8 derart angesteuert werden, dass die Energiespeicherzellen 5 in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden. Die Koppeleinheiten 6 der übrigen Energiespeichermodule 4, welche Energiespeicherzellen 5 mit geringerer Ladung aufweisen, werden durch das Steuergerät 8 entsprechend derart gesteuert, dass die Energiespeicherzellen 5 überbrückt werden. Auf diese Weise werden, wann immer möglich, schwach geladene Energiespeicherzellen 5 geschont.Now by an energy supply branch 3 Power delivered, that is in the corresponding phase U, V, W of the electric machine 1 fed, so those k energy storage cells 5 involved in the provision of the output voltage, which currently have the largest charge. This is done concretely in that the determined charge states by the control unit 8th be evaluated and the k energy storage cells 5 with the largest charge respectively associated coupling units 6 through the control unit 8th be controlled such that the energy storage cells 5 in the respective energy supply branch 3 be switched. The coupling units 6 the remaining energy storage modules 4 , which energy storage cells 5 with lower charge, are by the control unit 8th controlled in accordance with such that the energy storage cells 5 be bridged. In this way, whenever possible, weakly charged energy storage cells 5 spared.

Im umgekehrten Fall, wenn also Strom von der elektrischen Maschine 1 an einen Energieversorgungszweig 3 zurückgespeist und von diesem aufgenommen wird, werden diejenigen k Energiespeicherzellen 5 an der Bereitstellung der Ausgangsspannung beteiligt, welche aktuell die geringste Ladung aufweisen. Dies erfolgt konkret dadurch, dass die ermittelten Ladungszustände durch das Steuergerät 8 ausgewertet werden und die den k Energiespeicherzellen 5 mit der geringsten Ladung jeweils zugeordneten Koppeleinheiten 6 durch das Steuergerät 8 derart angesteuert werden, dass die Energiespeicherzellen 5 in den jeweiligen Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden. Die Koppeleinheiten 6 der übrigen Energiespeichermodule 4, welche Energiespeicherzellen 5 mit höherer Ladung aufweisen, werden durch das Steuergerät 8 entsprechend derart gesteuert, dass die Energiespeicherzellen 5 überbrückt werden. Auf diese Weise werden immer zuerst schwach geladene Energiespeicherzellen 4 wieder aufgeladen.In the opposite case, ie if electricity from the electric machine 1 to a power supply branch 3 is fed back and absorbed by this, those are k energy storage cells 5 involved in the provision of the output voltage, which currently have the lowest charge. This is done concretely in that the determined charge states by the control unit 8th be evaluated and the k energy storage cells 5 with the lowest charge respectively associated coupling units 6 through the control unit 8th be controlled such that the energy storage cells 5 in the respective energy supply branch 3 be switched. The coupling units 6 the remaining energy storage modules 4 , which energy storage cells 5 with higher charge, are by the control unit 8th controlled in accordance with such that the energy storage cells 5 be bridged. In this way, always first weakly charged energy storage cells 4 recharged.

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  • DE 102010027861 [0004] DE 102010027861 [0004]

Claims (6)

Verfahren zum Betrieb eines steuerbaren Energiespeichers (2), welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, dient, wobei – der steuerbare Energiespeicher (2) n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) aufweist, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen, – die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrücken oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1, 3-2; 3-3) schalten, bei dem – für alle Energiespeichermodule (4) eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) charakterisierende Größe ermittelt wird, und – die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) gesteuert werden.Method for operating a controllable energy store ( 2 ), which controls the electrical power supply of an n-phase electric machine ( 1 ), with n ≥ 1, where - the controllable energy store ( 2 ) n parallel power supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) each having at least two series-connected energy storage modules ( 4 ) each having at least one electrical energy storage cell ( 5 ) with an associated controllable coupling unit ( 6 ), - the coupling units ( 6 ) in dependence on control signals, the respective associated energy storage cells ( 5 ) or the respectively assigned energy storage cells ( 5 ) into the respective energy supply branch ( 3-1 . 3-2 ; 3-3 ), in which - for all energy storage modules ( 4 ), a current state of charge of the respective energy storage cells ( 5 ) characterizing size is determined, and - the coupling units ( 6 ) in dependence on a predetermined desired output voltage for the respective power supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) and the current state of charge of the energy storage cells ( 5 ) to be controlled. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinheiten (6) eines Energieversorgungszweiges (3-1; 3-2; 3-3) in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) in dem entsprechenden Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) gesteuert werden, wenn eine aktuell vorgegebene Soll-Ausgangsspannung des Energieversorgungszweiges (3-1; 3-2; 3-3) durch k Energiespeicherzellen (5), mit k < m, in dem Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) bereit gestellt werden kann.Method according to claim 1, wherein the coupling units ( 6 ) of an energy supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) as a function of the current state of charge of the energy storage cells ( 5 ) in the corresponding power supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) are controlled when a current predetermined target output voltage of the power supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) by k energy storage cells ( 5 ), with k <m, in the power supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) can be provided. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für den Fall, dass durch den Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) Strom abgegeben wird, diejenigen k Energiespeicherzellen (5) durch entsprechende Steuerung der zugeordneten Koppeleinheiten (6) in den Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) geschaltet werden, welche aktuelle die größte Ladung aufweisen.Method according to claim 2, wherein in the event that the energy supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) Power is emitted, those k energy storage cells ( 5 ) by appropriate control of the associated coupling units ( 6 ) in the power supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ), which currently have the largest charge. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für den Fall, dass von dem Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) Strom aufgenommen wird, diejenigen k Energiespeicherzellen (5) durch entsprechende Steuerung der zugeordneten Koppeleinheiten (6) in den Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) geschaltet werden, welche aktuelle die geringste Ladung aufweisen.Method according to Claim 2, in which, in the case of the energy supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) Current, those k energy storage cells ( 5 ) by appropriate control of the associated coupling units ( 6 ) in the power supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ), which currently have the lowest charge. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für alle Energiespeichermodule (4) eine aktuelle Spannung der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for all energy storage modules ( 4 ) a current voltage of the respective energy storage cells ( 5 ) is determined. System zur Steuerung und zur elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, mit – einem steuerbaren Energiespeicher (2), welcher n parallele Energieversorgungszweige (3-1, 3-2, 3-3) aufweist, welche – jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (4) aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (5) mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit (6) umfassen, – einerseits mit einer Bezugsschiene (T–) verbindbar sind und – andererseits mit jeweils einer Phase (U, V, W) der elektrischen Maschine (1) verbindbar sind, wobei die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) überbrücken oder die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen (5) in den Energieversorgungszweig (3) schalten, – Ladezustandsüberwachungseinheiten (9), welche für alle Energiespeichermodule (4) eine, einen aktuellen Ladezustand der jeweiligen Energiespeicherzellen (5) charakterisierende Größe ermitteln, – ein Steuergerät (8), welches die Koppeleinheiten (6) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung für den jeweiligen Energieversorgungszweig (3-1; 3-2; 3-3) und von dem jeweils aktuellen Ladezustand der Energiespeicherzellen (5) steuert.System for controlling and supplying electrical power to an n-phase electric machine ( 1 ), with n ≥ 1, with - a controllable energy store ( 2 ), which n parallel power supply branches ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ), each of which - at least two series-connected energy storage modules ( 4 ), which in each case at least one electrical energy storage cell ( 5 ) with an associated controllable coupling unit ( 6 ), - on the one hand connectable to a reference rail (T-) and - on the other hand each with a phase (U, V, W) of the electrical machine ( 1 ) are connectable, wherein the coupling units ( 6 ) in dependence on control signals, the respective associated energy storage cells ( 5 ) or the respectively assigned energy storage cells ( 5 ) in the power supply branch ( 3 ), - state of charge monitoring units ( 9 ), which are suitable for all energy storage modules ( 4 ), a current state of charge of the respective energy storage cells ( 5 ) characterizing variable, - a control device ( 8th ), which the coupling units ( 6 ) in dependence on a predetermined desired output voltage for the respective power supply branch ( 3-1 ; 3-2 ; 3-3 ) and the current state of charge of the energy storage cells ( 5 ) controls.
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