DE102011006762A1 - Battery direct converter in ring configuration - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einem Wechselrichter zum Versorgen einer n-phasigen elektrischen Maschine (11), wobei n ≥ 2, mit einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (2a, 2b, 2c, 2d), welche in Reihenschaltung in einer Ringleitung (1) angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Energiespeichermodulen (2a, 2b, 2c, 2d) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, eine Energiespeicherzelle, welche mindestens einen Energiespeicher (6a, 6b, 6c, 6d) aufweist, und welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss gekoppelt ist, eine Ringschalteinrichtung (5a, 5b, 5c, 5d), welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle mit dem ersten Anschluss des Energiespeichermoduls (2a, 2b, 2c, 2d) schaltbar zu verbinden, und eine erste Koppeleinrichtung (21a–21c; 22a–22c; 23a–23c; 24a–24c), welche dazu ausgelegt ist, einen Knoten zwischen dem zweiten Anschluss und der Energiespeicherzelle schaltbar mit einer der Phasenleitungen (11a, 11b, 11c) der elektrischen Maschine (11) zu verbinden, aufweist.The invention relates to an electric drive system with an inverter for supplying an n-phase electric machine (11), where n ≥ 2, with a plurality of energy storage modules (2a, 2b, 2c, 2d) connected in series in a ring line (1). wherein each of the plurality of energy storage modules (2a, 2b, 2c, 2d) has a first terminal and a second terminal, an energy storage cell having at least one energy store (6a, 6b, 6c, 6d), and which between the first terminal and the second terminal is coupled, a ring switching device (5a, 5b, 5c, 5d), which is designed to connect the energy storage cell to the first terminal of the energy storage module (2a, 2b, 2c, 2d) switchable, and a first coupling device ( 21a-21c; 22a-22c; 23a-23c; 24a-24c) adapted to connect a node between the second terminal and the energy storage cell switchably with one of the phase lines (11a, 11b 11c) of the electric machine (11).
Description
Die Erfindung betrifft einen Batteriedirektumrichter mit Energiespeichermodulen, welche in Ringkonfiguration angeordnet sind, zum Speisen einer elektrischen Maschine.The invention relates to a battery direct converter with energy storage modules, which are arranged in a ring configuration, for feeding an electric machine.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden üblicherweise mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Antriebssystem bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen.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 will be used, which combine new energy storage technologies with electric drive technology. In order to meet the given requirements for a given application in terms of performance and energy, usually several battery cells are connected in series. Since the current provided by such a drive system must flow through all 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.
Es ist daher möglich, Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen zu betreiben, welche direkt an Phasenleitungen einer elektrischen Maschine anschließbar sind. Die Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen, oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken, oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z. B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann.It is therefore possible to operate batteries with several battery module strings, which can be connected directly to phase lines of 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 makes it possible to interrupt the respective battery module string depending on control signals, or to bridge the respectively assigned at least one battery cell, or to switch the respectively assigned at least one battery cell into 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.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gemäß einer Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung einen Wechselrichter zum Versorgen einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n ≥ 2, mit einer Vielzahl von Energiespeichermodulen, welche in Reihenschaltung in einer Ringleitung angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Energiespeichermodulen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, eine Energiespeicherzelle, welche mindestens einen Energiespeicher aufweist, und welche zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss gekoppelt ist, eine Ringschalteinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Energiespeicherzelle mit einem ersten Anschluss des Energiespeichermoduls schaltbar zu verbinden, und eine erste Koppeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen Knoten zwischen dem zweiten Anschluss und der Energiespeicherzelle schaltbar mit einer der Phasenleitungen der elektrischen Maschine zu verbinden, aufweist.According to one embodiment, the present invention provides an inverter for supplying an n-phase electric machine, where n ≥ 2, having a plurality of energy storage modules arranged in series in a loop, each of the plurality of energy storage modules having a first terminal and a second Connection, an energy storage cell which has at least one energy store, and which is coupled between the first terminal and the second terminal, a ring switching device which is adapted to switchably connect the energy storage cell with a first terminal of the energy storage module, and a first coupling device, which is configured to switchably connect a node between the second terminal and the energy storage cell to one of the phase lines of the electrical machine comprises.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein System mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter und einer n-phasigen elektrischen Maschine, wobei n ≥ 2, welche über n Phasenleitungen jeweils mit den ersten Koppeleinrichtungen der Vielzahl der Energiespeichermodule des Wechselrichters verbunden ist.According to a further embodiment, the present invention provides a system comprising an inverter according to the invention and an n-phase electric machine, wherein n ≥ 2, which is connected via n phase lines respectively to the first coupling means of the plurality of energy storage modules of the inverter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindungs ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Systems. Das Verfahren umfasst die Schritte des Öffnens einer der Ringschalteinrichtungen der Vielzahl von Energiespeichermodulen bei gleichzeitigem Schließen der übrigen Ringschalteinrichtungen, und des selektivens Ansteuerns der ersten Koppeleinrichtungen zum Verbinden der n Phasenleitungen mit jeweils einem der Vielzahl von Energiespeichermodulen.According to a further embodiment, the present invention provides a method for operating a system according to the invention. The method includes the steps of opening one of the ring switching devices of the plurality of energy storage modules while simultaneously closing the remaining ring switching devices, and selectively driving the first coupling devices to connect the n phase lines to each of the plurality of energy storage modules.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Eine Idee der Erfindung ist es, ein batteriegetriebenes Antriebssystem zu schaffen, welches eine abgestufte Versorgungsspannung für eine n-phasige elektrische Maschine bereitstellen kann. Dazu werden Energiespeichermodule in einem Ring angeordnet, welcher an frei wählbaren Stellen über Schalteinrichtungen in eine Kette von Energiespeichermodulen aufgetrennt werden kann. Dadurch können Energiespeicherzellen, welche in den Energiespeichermodulen angeordnet sind, variabel in die Kette zur Energieversorgung von Phasenleitungen der elektrischen Maschine zugeschaltet werden.An idea of the invention is to provide a battery powered drive system which can provide a stepped supply voltage to an n-phase electric machine. For this purpose, energy storage modules are arranged in a ring, which can be separated at arbitrary points via switching devices in a chain of energy storage modules. As a result, energy storage cells, which are arranged in the energy storage modules, can be variably connected in the chain for supplying energy to phase lines of the electrical machine.
Diese Topologie ermöglicht überdies eine gleichmäßige Belastung aller Energiespeicherzellen bzw. aller Energiespeichermodule, so dass zum Erreichen eines jeweiligen Versorgungsspannungswertes die einzelnen Energiespeicherzellen durch entsprechende Zu- und Abschaltung unterschiedlich stark strombelastet werden können. Damit kann im zeitlichen Mittel eine gleichmäßige Durchschnittsbelastung aller Energiespeicherzellen erreicht werden.This topology also allows a uniform load on all energy storage cells or all energy storage modules, so that to achieve a respective supply voltage value, the individual energy storage cells can be charged different current by appropriate connection and disconnection. This can be achieved on average over time a uniform average load of all energy storage cells.
Darüber hinaus ist das System gegenüber einem Ausfall oder Defekt einer einzelnen Energiespeicherzelle bzw. eines einzelnen Energiespeichermoduls robust, denn jede der Energiespeicherzellen kann entweder über die Ringschalteinrichtungen dauerhaft an das Ende der Energieversorgungskette geschaltet werden, wo sie weder stört noch nützt, oder über eine der Phasenleitungen mithilfe der ersten Koppeleinrichtungen überbrückt werden. In beiden Fällen kann das Antriebssystem mit den übrigen Energiespeichermodulen noch sicher weiter betrieben werden, so dass die Ausfallsicherheit des gesamten Systems sehr hoch ist.In addition, the system is robust to a failure or failure of a single energy storage cell or energy storage module because each of the energy storage cells can either be permanently switched to the end of the power supply chain via the ring switching devices where it does not bother or benefit, or through one of the phase lines be bridged by means of the first coupling devices. In both cases, the drive system with the other energy storage modules can still be operated safely, so that the reliability of the entire system is very high.
Die Anzahl der zur Erzeugung beliebiger Drehstromsysteme erforderlichen Energiespeicherzellen ist bei dem erfindungsgemäßen System sehr gering, wodurch eine platzsparende und kostengünstige Ausführung möglich ist.The number of energy storage cells required for the production of any three-phase systems is very low in the system according to the invention, whereby a space-saving and cost-effective design is possible.
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:
In
Das Energiespeichermodul
Zusammen mit den Koppeleinrichtungen
Die Koppeleinrichtungen umfassen dabei pro Energiespeichermodul jeweils drei Schalteinrichtungen, welche die Ringleitung
Die Ringschalteinrichtungen
Bei der Ausgangsspannung des Systems
Durch rechtzeitiges Umschalten der Schalteinrichtungen der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule kann man die Ausgangsspannung einer Sinusspannung annähern. Dabei können beispielsweise Zwischenwerte zwischen den Stufen der Ausgangsspannung über entsprechendes Hin- und Herschalten zwischen zwei Schalteinstellung der Schalteinrichtungen realisiert werden, so dass im zeitlichen Mittel ein Zwischenwert der Ausgangsspannung an den jeweiligen Phasenleitungen anliegt.By timely switching the switching devices of the coupling devices of the energy storage modules can approach the output voltage of a sine wave voltage. In this case, for example, intermediate values between the stages of the output voltage can be realized via corresponding switching back and forth between two switching settings of the switching devices, so that an intermediate value of the output voltage is applied to the respective phase lines in the time average.
Die Schalteinrichtungen
In den Systemen
In einem Schritt
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, beispielsweise in periodischen Abständen die geöffnete Ringschalteinrichtung zu wechseln. Dies kann vorteilhaft sein, um die Strombelastung der Energiespeicherzellen im zeitlichen Mittel für jede der Energiespeicherzellen gleich zu halten. Hierzu erfolgt in einem Schritt
In bestimmten Kettenformationen, das heißt, beim Öffnen bestimmter Ringschalteinrichtungen ergibt sich weiterhin die Möglichkeit, gleiche Versorgungsspannungen an den Phasenleitungen mit unterschiedlicher Einstellung der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule zu erhalten. Dies ist dann möglich, wenn die einzustellende Ausgangsspannung geringer als die maximal mögliche Ausgangsspannung ist, wobei die Auswahl der jeweils drei geschlossenen Schalteinrichtungen für die drei Phasenleitungen in Relation zueinander gleich bleibt, aber entlang der Kette zwischen den Enden verschoben wird. Durch gleichmäßige Wahl der verschiedenen gleichwertigen Einstellungen der Koppeleinrichtungen in Schritt
Sollte in dem Schritt
Es kann beispielsweise in Schritt
Alternativ kann beispielsweise in Schritt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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