DE102012202868A1 - Direct voltage tapping arrangement for battery direct inverter for electrically operated vehicle, has step-up-chopper providing direct voltage to tapping terminals based on potential between half bridge circuit and reference terminal - Google Patents

Direct voltage tapping arrangement for battery direct inverter for electrically operated vehicle, has step-up-chopper providing direct voltage to tapping terminals based on potential between half bridge circuit and reference terminal Download PDF

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Abstract

The arrangement (8) has a half bridge circuit (9) with multiple collective terminals (8a-8c), which are coupled with one of output terminals (1a-1c) of an energy storage device (1). A reference terminal (8d) is coupled with a reference potential rail (4) of the energy storage device. A step-up-chopper (14) is coupled between the half bridge circuit and the reference terminal. The step-up-chopper provides a direct voltage (Uzk) to tapping terminals (8e, 8f) based on a potential between the half bridge circuit and the reference terminal. Independent claims are also included for the following: (1) an electrical drive system (2) a method for producing a direct voltage from an energy storage device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungsabgriffsanordnung für eine Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere bei Systemen mit Batteriedirektumrichtern zur gleichzeitigen Stromversorgung einer elektrischen Maschine und zur Erzeugung einer weiteren Spannungslage für ein Gleichspannungsnetz.The invention relates to a Gleichspannungsabgriffsanordnung for an energy storage device and a method for generating a DC voltage from an energy storage device, in particular in systems with direct battery converters for the simultaneous power supply of an electrical machine and for generating a further voltage level for a DC network.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.It is becoming apparent that in the future both stationary applications, e.g. Wind turbines or solar systems, as well as in vehicles such as hybrid or electric vehicles, increasingly electronic systems are used that combine new energy storage technologies with electric drive technology.

Die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine wird üblicherweise durch einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters bewerkstelligt. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis wird dabei von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet.The feeding of multi-phase current into an electrical machine is usually accomplished by a converter in the form of a pulse-controlled inverter. For this purpose, a DC voltage provided by a DC voltage intermediate circuit can be converted into a multi-phase AC voltage, for example a three-phase AC voltage. The DC link is fed by a string of serially connected battery modules. In order to meet the power and energy requirements of a particular application, multiple battery modules are often connected in series in a traction battery.

Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen.The series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system. Furthermore, temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.

In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Dabei kann die Koppeleinheit derart gestaltet sein, dass sie es zusätzlich erlaubt, die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle auch mit inverser Polarität in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten oder auch den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert.In the publication US 5,642,275 A1 a battery system with integrated inverter function is described. Systems of this type are known under the name Multilevel Cascaded Inverter or Battery Direct Inverter (Battery Direct Inverter, BDI). Such systems include DC sources in multiple energy storage module strings which are directly connectable to an electrical machine or electrical network. In this case, single-phase or multi-phase supply voltages can be generated. The energy storage module strands have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows the respective assigned at least one battery cell to be bridged as a function of control signals or the respectively assigned at least one battery cell to switch the respective energy storage module string. In this case, the coupling unit may be designed such that it additionally allows to switch the respectively associated at least one battery cell with inverse polarity in the respective energy storage module string or to interrupt the respective energy storage module string. By suitable control of the coupling units, for example by means of pulse width modulation, it is also possible to provide suitable phase signals for controlling the phase output voltage, so that a separate pulse inverter can be dispensed with. The required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated so to speak in the BDI.

BDIs weisen gegenüber herkömmlichen Systemen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad, eine höhere Ausfallsicherheit und einen deutlich geringeren Oberschwingungsgehalt ihrer Ausgangsspannung auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Ansteuerung der ihnen zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungssträngen überbrückt werden können. Die Phasenausgangsspannung eines Energiespeichermodulstrangs kann durch entsprechendes Ansteuern der Koppeleinheiten variiert und insbesondere stufig eingestellt werden. Die Stufung der Ausgangsspannung ergibt sich dabei aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls, wobei die maximal mögliche Phasenausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller Energiespeichermodule eines Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.BDIs usually have a higher efficiency, a higher reliability and a much lower harmonic content of their output voltage compared to conventional systems. The reliability is ensured, inter alia, that defective, failed or not fully efficient battery cells can be bridged by appropriate control of their associated coupling units in the power supply lines. The phase output voltage of an energy storage module string can be varied by appropriate activation of the coupling units and in particular be set in stages. The gradation of the output voltage results from the voltage of a single energy storage module, wherein the maximum possible phase output voltage is determined by the sum of the voltages of all energy storage modules of an energy storage module string.

Die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 beispielsweise offenbaren Batteriedirektinverter mit mehreren Batteriemodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind.The pamphlets DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1 For example, disclose battery direct inverter with multiple battery module strings, which are directly connected to an electric machine.

Am Ausgang von BDIs steht keine konstante Gleichspannung zur Verfügung, da die Energiespeicherzellen auf unterschiedliche Energiespeichermodule aufgeteilt sind und deren Koppeleinrichtungen gezielt zur Erzeugung einer Spannungslage angesteuert werden müssen. Durch diese Verteilung steht ein BDI im Grunde nicht als Gleichspannungsquelle, beispielsweise für die Speisung eines Bordnetzes eines elektrischen Fahrzeugs, zur Verfügung.At the output of BDIs is no constant DC voltage available because the energy storage cells are divided into different energy storage modules and their coupling devices must be targeted to generate a voltage. Due to this distribution, a BDI is basically not available as a DC voltage source, for example for the supply of an electrical system of an electric vehicle.

Es besteht daher ein Bedarf an einer Abgriffsanordnung für eine Energiespeichereinrichtung und einem Verfahren zum Betreiben derselben, mit denen im laufenden Betrieb der Energiespeichereinrichtung einer weitere Spannungslage, insbesondere eine Gleichspannungslage, abgegriffen oder erzeugt werden kann.There is therefore a need for a tap arrangement for an energy storage device and a method for operating the same, with which during operation of the energy storage device of a further voltage level, in particular a DC voltage position, can be tapped or generated.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Gleichspannungsabgriffsanordnung für eine Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist, mit einer Halbbrückenschaltung mit einer Vielzahl von Sammelanschlüssen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, einem Bezugsanschluss, welcher mit einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und einem Hochsetzsteller, welcher zwischen die Halbbrückenschaltung und den Bezugsanschluss gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Potential zwischen der Halbbrückenschaltung und dem Bezugsanschluss eine Gleichspannung an Abgriffsanschlüssen der Gleichspannungsabgriffsanordnung bereitzustellen.The present invention provides, in one aspect, a DC voltage tap arrangement for an energy storage device having a plurality of power supply branches each having a plurality of energy storage modules for generating an AC voltage at a plurality of output terminals of the energy storage device, comprising a half-bridge circuit having a plurality of hysteresis terminals each having a the output terminals of the energy storage device are coupled, a reference terminal, which is coupled to a reference potential rail of the energy storage device, and a boost converter, which is coupled between the half-bridge circuit and the reference terminal, and which is designed, depending on the potential between the half-bridge circuit and the reference terminal to provide a DC voltage at tap terminals of the DC tap arrangement.

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist, und einer erfindungsgemäßen Gleichspannungsabgriffsanordnung, deren Sammelanschlüsse jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, und deren Bezugsanschluss mit einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist.The present invention provides according to a further aspect of an electric drive system, comprising an energy storage device having a plurality of power supply branches each having a plurality of energy storage modules for generating an AC voltage at a plurality of output terminals of the energy storage device, and a DC voltage tap arrangement according to the invention, the harbors in each case with a the output terminals of the energy storage device are coupled, and whose reference terminal is coupled to a reference potential rail of the energy storage device.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist, mit den Schritten des Abgreifens eines jeweils momentan betragsmäßig höchsten Potentials an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung, des Abgreifens eines Bezugspotentials an einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung, des Hochsetzens der Potentialdifferenz zwischen dem jeweils momentan höchsten Potential und dem Bezugspotential mit einem Hochsetzsteller, und des Bereitstellens einer von der hochgesetzten Potentialdifferenz abhängigen Gleichspannung.According to another aspect, the present invention provides a method for generating a DC voltage from an energy storage device having a plurality of power supply branches each having a plurality of energy storage modules for generating an AC voltage at a plurality of output terminals of the energy storage device, with the steps of each one currently tapping amount of highest potential at the plurality of output terminals of the energy storage device, tapping a reference potential to a reference potential rail of the energy storage device, increasing the potential difference between the currently highest potential and the reference potential with a boost converter, and providing a dependent of the high potential difference DC voltage.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung mit den Ausgängen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere eines Batteriedirektumrichters, zu koppeln, mit der eine Gleichspannung von den Ausgängen der Energiespeichereinrichtung abgegriffen werden kann. Dazu ist es vorgesehen, eine Dioden-Halbbrücke als Sammeleinrichtung an die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung anzukoppeln, mit der jeweils das momentan höchste an den Ausgangsanschlüssen anliegende Potential der Energiespeichereinrichtung abgegriffen werden kann. Dieses Potential kann gegenüber einem Bezugspotential der Energiespeichereinrichtung mithilfe eines Hochsetzstellers zum Erzeugen einer Gleichspannung genutzt werden. Die Gleichspannung kann dann beispielsweise zur Speisung eines Zwischenkreiskondensators des Bordnetzes verwendet werden.It is an idea of the present invention to couple a circuit with the outputs of an energy storage device, in particular a battery direct converter, with which a DC voltage can be tapped from the outputs of the energy storage device. For this purpose, it is provided to couple a diode half-bridge as a collecting device to the output terminals of the energy storage device, with which in each case the currently highest potential applied to the output terminals of the energy storage device can be tapped. This potential can be used with respect to a reference potential of the energy storage device by means of a boost converter for generating a DC voltage. The DC voltage can then be used, for example, to supply a DC link capacitor of the electrical system.

Ein erheblicher Vorteil dieser Gleichspannungsabgriffsanordnung besteht darin, dass sich die Energiespeichereinrichtung ohne zusätzliche Modifikation in einem elektrischen Antriebssystem einsetzen lässt, das heißt, ohne in den Betrieb der Energiespeichereinrichtung eingreifen zu müssen. Beispielsweise kann bei einem Einsatz der Energiespeichereinrichtung in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug gleichzeitig eine Versorgungsspannung für den elektrischen Antrieb und eine Gleichspannung für das Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs erzeugt werden.A significant advantage of this DC voltage tap arrangement is that the energy storage device can be used without additional modification in an electric drive system, that is, without having to intervene in the operation of the energy storage device. For example, when using the energy storage device in an electrically operated vehicle, a supply voltage for the electric drive and a DC voltage for the electrical system of the electrically operated vehicle can be generated simultaneously.

Vorteilhafterweise kann durch die Sammeleinrichtung der Gleichspannungsabgriffsanordnung die Anzahl der Bauteile gering gehalten werden, da lediglich ein Hochsetzsteller in der Gleichspannungsabgriffsanordnung notwendig ist, um den Zwischenkreiskondensator des Bordnetzes zu speisen. Dadurch sinken einerseits der Bauteilbedarf und damit der Bauraumbedarf und das Gewicht des Systems, insbesondere bei einem elektrischen Antriebssystem, andererseits können Schaltverluste minimiert werden.Advantageously, the number of components can be kept low by the collecting device of the DC voltage tap arrangement, since only one boost converter in the Gleichspannungsabgriffsanordnung is necessary to feed the DC link capacitor of the electrical system. As a result, on the one hand, the component requirement and thus the space requirement and the weight of the system, in particular in an electric drive system, on the other hand, switching losses can be minimized.

Der schaltungstechnische Zusatzaufwand ist in vorteilhafter Weise gering. Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass bei der Erzeugung der Gleichspannung ein Balancing der beteiligten Energiespeicherzellenmodule, das heißt, ein gleichmäßiges Belasten der einzelnen Energiespeicherzellenmodule in Abhängigkeit von Ladezustand und Alterungseffekten, automatisch mit dem im Betrieb der Energiespeichereinrichtung durchgeführten Balancing erfolgen kann, so dass die Energiespeicherzellenmodule gleichmäßig belastet werden und dadurch die Lebensdauer und Verfügbarkeit der Energiespeichereinrichtung erhöht wird.The circuitry overhead is low in an advantageous manner. In addition, there is the advantage that when generating the DC voltage, a balancing of the participating energy storage cell modules, that is, a uniform loading of the individual energy storage cell modules depending on state of charge and aging effects, can be done automatically with the balancing performed during operation of the energy storage device, so that the energy storage cell modules even load and thus the life and availability of the energy storage device is increased.

Überdies besteht ein erheblicher Vorteil darin, dass in dem Hochsetzsteller ein Schaltelement, beispielsweise ein Halbleiterleistungsschalter, eingesetzt werden kann, welches keine Rückwärtssperrfähigkeit aufweisen muss, da die Eingangsspannung des Hochsetzstellers stets die gleiche Polarität aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass die Verlustleistungen in dem Hochsetzsteller minimiert werden können.Moreover, there is a significant advantage in that in the boost converter, a switching element, such as a semiconductor power switch, can be used, which need not have a reverse blocking capability, since the input voltage of the boost converter always has the same polarity. This offers the advantage that the power losses in the boost converter can be minimized.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungsabgriffsanordnung kann die Halbbrückenschaltung eine Vielzahl von Dioden aufweisen, welche jeweils zwischen den Hochsetzsteller und einen der Vielzahl von Sammelanschlüssen gekoppelt sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Halbbrückenschaltung eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln aufweisen, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden und den Hochsetzsteller gekoppelt sind. Dadurch können Schwankungen, insbesondere zu bestimmten Zeitpunkten der Ansteuerung der Energiespeichereinrichtung hochfrequente Schwankungen, der Potentiale an den Ausgangsanschlüssen ausgeglichen bzw. abgepuffert werden.According to one embodiment of the DC voltage tap arrangement according to the invention, the half-bridge circuit may comprise a plurality of diodes, which are each coupled between the boost converter and one of the plurality of hunt groups. In an advantageous embodiment, the half-bridge circuit may comprise a plurality of commutation chokes, which are each coupled between the plurality of diodes and the boost converter. As a result, fluctuations, in particular at specific times of the activation of the energy storage device, high-frequency fluctuations, of the potentials at the output terminals can be compensated or buffered.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungsabgriffsanordnung kann der Hochsetzsteller eine Wandlerdrossel, eine Ausgangsdiode, und ein Stellerschaltelement aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Stellerschaltelement einen Leistungshalbleiterschalter aufweisen, beispielsweise einen MOSFET-Schalter oder einen IGBT-Schalter. Dies hat den Vorteil, dass ein Schaltelement verwendet werden kann, welches keine definierte Rückwärtssperrfähigkeit aufweisen muss.According to a further embodiment of the DC voltage tap arrangement according to the invention, the boost converter may have a converter choke, an output diode, and a switch element. In an advantageous embodiment, the actuator switching element may comprise a power semiconductor switch, for example a MOSFET switch or an IGBT switch. This has the advantage that a switching element can be used which does not have to have a defined reverse blocking capability.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Gleichspannungsabgriffsanordnung einen Zwischenkreiskondensator umfassen, welcher zwischen die Abgriffsanschlüsse der Gleichspannungsabgriffsanordnung gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, mit der durch den Hochsetzsteller erzeugten Ausgangsstrompulsen gespeist zu werden und diese in eine geglättete Gleichspannung am Ausgang des Hochsetzstellers zu überführen.According to a further embodiment, the DC tap arrangement according to the invention may comprise a DC link capacitor coupled between the tap connections of the DC tap arrangement and configured to be fed with the output current pulses generated by the step-up converter and to convert them into a smoothed DC voltage at the output of the step-up converter.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Speisens eines Zwischenkreiskondensators mit der bereitgestellten Gleichspannung umfassen.According to one embodiment of the method according to the invention, the method may further comprise the step of feeding a DC link capacitor with the DC voltage provided.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren zum Bereitstellen der Gleichspannung für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Sternpunktpotential der n-phasigen elektrischen Maschine durch gleichmäßiges Erhöhen der Ausgangsspannungen an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung angehoben werden, wenn die an der Maschine einzustellende Statorspannung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Dies ist besonders von Vorteil, wenn die Statorspannungen an der elektrischen Maschine, beispielsweise in einem niedrigen Drehzahlbereich, ansonsten zu gering sind, um den Hochsetzsteller mit einer ausreichend hohen Eingangsspannung zu versorgen. Durch das Erhöhen des Sternpunktpotentials wird der Betrieb der n-phasigen elektrischen Maschine nicht beeinträchtigt, während die Eingangsspannung des Hochsetzstellers über einen Minimalwert hinaus erhöht werden kann.According to one embodiment of the method according to the invention, the method for providing the DC voltage for an electrical system of an electrically operated vehicle with an electric drive system according to the invention can be used. In an advantageous embodiment, in the method according to the invention, the star point potential of the n-phase electric machine can be raised by uniformly increasing the output voltages at the plurality of output terminals of the energy storage device when the stator voltage to be set at the machine falls below a predetermined threshold value. This is particularly advantageous if the stator voltages on the electric machine, for example in a low speed range, are otherwise too low to supply the boost converter with a sufficiently high input voltage. By increasing the neutral point potential, the operation of the n-phase electric machine is not affected, while the input voltage of the boost converter can be increased beyond a minimum value.

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 eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung; 1 a schematic representation of a system with an energy storage device;

2 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung; 2 a schematic representation of an energy storage module of an energy storage device;

3 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung; 3 a schematic representation of an energy storage module of an energy storage device;

4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 4 a schematic representation of a system with an energy storage device and a Gleichspannungsabgriffsanordnung according to an embodiment of the invention;

5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 5 a schematic representation of a system with an energy storage device and a Gleichspannungsabgriffsanordnung according to another embodiment of the present invention; and

6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 a schematic representation of a method for generating a DC voltage from an energy storage device according to another embodiment of the present invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von in Energiespeichermodulen 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen Z, von denen in 1 beispielhaft drei gezeigt sind, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich sein kann. Die Energieversorgungszweige Z können eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 3 aufweisen, welche in den Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 1 je drei Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige Z über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b und 1c, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen sind. 1 shows a schematic representation of a system 100 with a Energy storage device 1 for voltage conversion in energy storage modules 3 provided DC voltage in an n-phase AC voltage. The energy storage device 1 comprises a plurality of power supply branches Z, of which in 1 three are shown by way of example, which are used to generate a three-phase alternating voltage, for example for a three-phase machine 2 , are suitable. However, it will be understood that any other number of power supply branches Z may also be possible. The power supply branches Z may have a plurality of energy storage modules 3 have, which are connected in the power supply branches Z in series. Exemplary are in 1 three energy storage modules each 3 each power supply branch Z shown, but with any other number of energy storage modules 3 may be possible as well. The energy storage device 1 has at each of the power supply branches Z via an output terminal 1a . 1b and 1c , which in each case to phase lines 2a . 2 B respectively. 2c are connected.

Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c bereitzustellen.The system 100 can continue a control device 6 comprising, which with the energy storage device 1 is connected, and by means of which the energy storage device 1 can be controlled to the desired output voltages at the respective output terminals 1a . 1b . 1c provide.

Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu einer Gesamt-Ausgangsspannung, welche an dem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b und 1c der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.The energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b on, over which an output voltage of the energy storage modules 3 can be provided. Because the energy storage modules 3 are primarily connected in series, the output voltages of the energy storage modules add up 3 to a total output voltage present at the respective one of the output terminals 1a . 1b and 1c the energy storage device 1 can be provided.

Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a, 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a bis 5k.Exemplary construction forms of the energy storage modules 3 are in the 2 and 3 shown in greater detail. The energy storage modules 3 each comprise a coupling device 7 with several coupling elements 7a . 7c and optionally 7b and 7d , The energy storage modules 3 each further comprise an energy storage cell module 5 with one or more energy storage cells connected in series 5a to 5k ,

Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den in 2 und 3 gezeigten Energiespeichermodulen 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.The energy storage cell module 5 can, for example, in series batteries 5a to 5k , For example, lithium-ion batteries have. The number of energy storage cells is 5a to 5k in the in 2 and 3 shown energy storage modules 3 two by way of example, but with every other number of energy storage cells 5a to 5k is also possible.

Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die Koppeleinrichtung 7 ist in 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d als MOSFET-Schalter, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen, oder IGBT-Schalter ausgebildet sind. Alternativ ist es möglich, jeweils nur zwei Koppelelemente 7a, 7c auszubilden, so dass – wie in 3 beispielhaft dargestellt – eine Halbbrückenschaltung realisiert wird. Dabei kann die Verschaltung der Ausgangsklemmen 3a und 3b wie in 3 dargestellt gewählt werden. Alternativ kann auch die Ausgangsklemme 3a an den Mittelabgriff zwischen den Koppelelementen 7a und 7c angeschlossen sein und die Ausgangsklemme 3b kann an den negativen Pol des Energiespeicherzellenmoduls 5 angeschlossen sein. In beiden Fällen können zudem die Ausgangsklemmen 3a und 3b vertauscht werden.The energy storage cell modules 5 are via connection lines with input terminals of the associated coupling device 7 connected. The coupling device 7 is in 2 by way of example as a full bridge circuit with two coupling elements each 7a . 7c and two coupling elements 7b . 7d educated. The coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d can each have an active switching element, such as a semiconductor switch, and a parallel-connected freewheeling diode. It may be provided that the coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d as MOSFET switches, which already have an intrinsic diode, or IGBT switches are formed. Alternatively, it is possible, in each case only two coupling elements 7a . 7c form so that - as in 3 exemplified - a half-bridge circuit is realized. In this case, the interconnection of the output terminals 3a and 3b as in 3 be selected represented. Alternatively, the output terminal 3a to the center tap between the coupling elements 7a and 7c be connected and the output terminal 3b can be connected to the negative pole of the energy storage cell module 5 be connected. In both cases, also the output terminals 3a and 3b be reversed.

Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der in 1 dargestellten Steuereinrichtung 6, dass das jeweilige Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Mit Bezug auf 2 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7d und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7a in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Ein zweiter Überbrückungszustand kann dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden. Schließlich kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7b und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7c in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in einen offenen Zustand versetzt werden. Analoge Erwägungen können jeweils für die Halbbrückenschaltung in 3 angestellt werden. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt und mit beliebiger Polung in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs integriert werden.The coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d can be controlled in such a way, for example by means of in 1 shown control device 6 in that the respective energy storage cell module 5 selectively between the output terminals 3a and 3b is switched or that the energy storage cell module 5 is bridged. Regarding 2 can the energy storage cell module 5 for example, in the forward direction between the output terminals 3a and 3b be switched by the active switching element of the coupling element 7d and the active switching element of the coupling element 7a be placed in a closed state, while the two remaining active switching elements of the coupling elements 7b and 7c be put in an open state. A bridging state can be set, for example, by virtue of the fact that the two active switching elements of the coupling elements 7a and 7b be placed in the closed state, while the two active switching elements of the coupling elements 7c and 7d kept open. A second bypass state can be set by the fact that the two active switching elements of the coupling elements 7a and 7b be kept in the open state, while the two active switching elements of the coupling elements 7c and 7d be placed in the closed state. Finally, the energy storage cell module 5 for example, in the reverse direction between the output terminals 3a and 3b be switched by the active switching element of the coupling element 7b and the active switching element of the coupling element 7c be placed in a closed state while the two remaining active Switching elements of the coupling elements 7a and 7d be put in an open state. Analogous considerations may apply to the half-bridge circuit in 3 be employed. By suitable activation of the coupling devices 7 can therefore individual energy storage cell modules 5 the energy storage modules 3 be integrated specifically and with any polarity in the series connection of a power supply branch.

Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. Die Energieversorgungszweige Z können an ihrem zu einem Sternpunkt verbundenen Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugspotentialschiene) verbunden werden. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Auch ohne weitere Verbindung mit einem außerhalb der Energieversorgungseinrichtung 1 liegenden Bezugspotential kann das Potential der zu einem Sternpunkt verbundenen Enden der Energieversorgungszweige Z per Definition als Bezugspotential 4 festgelegt werden.The system is exemplary 100 in 1 for feeding a three-phase electric machine 2 For example, in an electric drive system for an electrically powered vehicle. However, it can also be provided that the energy storage device 1 for generating electricity for a power grid 2 is used. The power supply branches Z can be connected at their end connected to a star point with a reference potential 4 (Reference potential rail) are connected. The reference potential 4 may for example be a ground potential. Even without further connection with an outside of the power supply device 1 lying reference potential, the potential of the connected to a neutral point ends of the power supply branches Z by definition as a reference potential 4 be determined.

Für die Erzeugung einer Phasenspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b und 1c einerseits und der Bezugspotentialschiene 4 andererseits wird üblicherweise nur ein Teil der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 benötigt. Deren Koppeleinrichtungen 7 können derart angesteuert werden, dass die Gesamt-Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z stufig in einem rechteckigen Spannungs-/Strom-Stellbereich zwischen der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten negativen Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 und der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten positiven Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 einerseits und dem negativen und dem positiven Nennstrom durch ein einzelnes Energiespeichermodul 3 andererseits eingestellt werden kann.For generating a phase voltage between the output terminals 1a . 1b and 1c on the one hand and the reference potential rail 4 On the other hand, usually only a part of the energy storage cell modules 5 the energy storage modules 3 needed. Their coupling devices 7 can be controlled such that the total output voltage of a power supply branch Z stage in a rectangular voltage / current adjustment range between the with the number of energy storage modules 3 multiplied negative voltage of a single energy storage cell module 5 and the number of energy storage modules 3 multiplied positive voltage of a single energy storage cell module 5 on the one hand and the negative and the positive rated current through a single energy storage module 3 on the other hand can be adjusted.

Eine derartige Energiespeichereinrichtung 1 wie in 1 gezeigt, weist an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c zu verschiedenen Zeitpunkten im Betrieb unterschiedliche Potentiale auf, und kann daher nicht ohne weiteres als Gleichspannungsquelle genutzt werden. Besonders in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge ist es häufig wünschenswert, das Bordnetz des Fahrzeugs, beispielsweise ein Hochvoltbordnetz oder ein Niedervoltbordnetz, aus der Energiespeichereinrichtung 1 zu speisen. Daher ist eine Gleichspannungsabgriffsanordnung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, an eine Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen zu werden, und gespeist von jener eine Gleichspannung, beispielsweise für das Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, bereitzustellen.Such an energy storage device 1 as in 1 shown points at the output terminals 1a . 1b . 1c at different times during operation different potentials, and therefore can not be readily used as a DC voltage source. Particularly in electric drive systems of electrically powered vehicles, it is often desirable to have the vehicle electrical system of the vehicle, for example a high-voltage on-board electrical system or a low-voltage on-board electrical system, from the energy storage device 1 to dine. Therefore, a DC tap arrangement is provided which is adapted to an energy storage device 1 to be connected, and fed by that a DC voltage, for example, for the electrical system of an electrically powered vehicle to provide.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 200 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer solchen Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 ist mit der Energiespeichereinrichtung 1 über Sammelanschlüsse 8a, 8b und 8c einerseits und über einen Bezugsanschluss 8d andererseits gekoppelt. An Abgriffsanschlüssen 8e und 8f kann eine Gleichspannung UZK der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 abgegriffen werden. An den Abgriffsanschlüssen 8e und 8f kann beispielsweise ein (nicht gezeigter) Gleichspannungswandler für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeschlossen werden oder es kann – bei geeignetem Abgleich zwischen der Spannung UZK zwischen den Abgriffsanschlüssen 8e und 8f und der Bordnetzspannung – dieses Bordnetz direkt angeschlossen werden. 4 shows a schematic representation of a system 200 with an energy storage device 1 and such a DC tap arrangement 8th , The DC tap arrangement 8th is with the energy storage device 1 via hunt groups 8a . 8b and 8c on the one hand and via a reference terminal 8d coupled on the other hand. At tap connections 8e and 8f may be a DC voltage U ZK of the DC voltage tap arrangement 8th be tapped. At the tap connections 8e and 8f For example, a (not shown) DC-DC converter for an electrical system of an electrically operated vehicle can be connected or it can - with a suitable balance between the voltage U ZK between the Abgriffsanschlüssen 8e and 8f and the vehicle electrical system voltage - this electrical system can be connected directly.

Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 weist eine Halbbrückenschaltung 9 auf, welche über Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt sind. Die Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c können dabei beispielsweise an den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c des Systems 200 gekoppelt sein. Die Halbbrückenschaltung 9 kann eine Vielzahl von Dioden 9a aufweisen, die jeweils an einen der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt sind, so dass jeweils Anoden der Dioden 9a mit den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c gekoppelt sind. Die Kathoden der Dioden 9a können an einem gemeinsamen Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 zusammengeschaltet sein. Dadurch steht an dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 jeweils das momentan höchste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c an. Zusätzlich kann optional eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln 9b vorgesehen sein, welche jeweils zwischen die Dioden 9a und den Sammelpunkt gekoppelt sind. Die Kommutierungsdrosseln 9b können dabei Potentialschwankungen, welche aufgrund von ansteuerungsbedingten stufigen Potentialwechseln in den jeweiligen Phasenleitungen 2a, 2b und 2c zeitweise auftreten können, abpuffern, so dass die Dioden 9a weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.The DC tap arrangement 8th has a half-bridge circuit 9 on which via hunt groups 8a . 8b . 8c each with one of the output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 are coupled. The hunt groups 8a . 8b . 8c can, for example, on the phase lines 2a . 2 B respectively. 2c of the system 200 be coupled. The half-bridge circuit 9 can be a variety of diodes 9a each having to one of the hunt groups 8a . 8b . 8c are coupled, so that each anodes of the diodes 9a with the phase lines 2a . 2 B respectively. 2c are coupled. The cathodes of the diodes 9a can at a common collection point of the half-bridge circuit 9 be interconnected. This is at the collection point of the half-bridge circuit 9 in each case the currently highest potential of the phase lines 2a . 2 B respectively. 2c at. In addition, optionally, a plurality of commutation chokes 9b be provided, which in each case between the diodes 9a and the collection point are coupled. The commutation chokes 9b can potential fluctuations, which due to control-related level potential changes in the respective phase lines 2a . 2 B and 2c may temporarily occur, buffering so that the diodes 9a be less heavily burdened by frequent commutation.

Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 weist weiterhin einen Bezugsanschluss 8d auf, welcher mit einer Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Zwischen dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d besteht daher eine Potentialdifferenz, welche durch einen Hochsetzsteller 14, welcher zwischen die Halbbrückenschaltung 9 und den Bezugsanschluss 8d gekoppelt ist, hochgesetzt werden kann. Der Hochsetzsteller 14 ist dabei dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem Potential zwischen der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d eine Gleichspannung UZK an den Abgriffsanschlüssen 8e, 8f der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 bereitzustellen. Der Hochsetzsteller 14 kann beispielsweise eine Wandlerdrossel 10 und eine Ausgangsdiode 11 in Reihenschaltung aufweisen, deren Mittelpunktsabgriff ein Stellerschaltelement 12 mit dem Bezugsanschluss 8d koppelt. Alternativ kann die Wandlerdrossel 10 auch zwischen dem Bezugsanschluss 8d und dem Stellerschaltelement 12 vorgesehen sein, oder es können zwei Wandlerdrosseln 10 an beiden Eingangsanschlüssen des Hochsetzstellers 14 vorgesehen sein. Analoges gilt für die Ausgangsdiode 11, die alternativ auch zwischen dem Ausgangsabgriff 8f und dem Stellerschaltelement 12 vorgesehen sein kann.The DC tap arrangement 8th also has a reference terminal 8d on, which with a reference potential rail 4 the energy storage device 1 is coupled. Between the collection point of the half-bridge circuit 9 and the reference terminal 8d Therefore, there is a potential difference, which by a boost converter 14 . which between the half-bridge circuit 9 and the reference terminal 8d is coupled, can be elevated. The boost converter 14 is designed to be a function of the potential between the half-bridge circuit 9 and the reference terminal 8d a DC voltage U ZK at the tap connections 8e . 8f the DC voltage tap arrangement 8th provide. The boost converter 14 For example, a converter choke 10 and an output diode 11 have in series, the center point tap a Stellerschaltelement 12 with the reference terminal 8d coupled. Alternatively, the converter choke 10 also between the reference terminal 8d and the actuator switch element 12 be provided, or there may be two converter chokes 10 at both input terminals of the boost converter 14 be provided. The same applies to the output diode 11 , alternatively between the output tap 8f and the actuator switch element 12 can be provided.

Das Stellerschaltelement 12 kann beispielsweise einen Leistungshalbleiterschalter aufweisen, wie zum Beispiel einen MOSFET-Schalter oder einen IGBT-Schalter. Beispielsweise kann für das Stellerschaltelement 12 ein n-Kanal-IGBT verwendet werden, welcher im Normalzustand gesperrt ist. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass jeder andere Leistungshalbleiterschalter für das Stellerschaltelement 12 ebenso eingesetzt werden kann.The actuator switch element 12 For example, it may include a power semiconductor switch, such as a MOSFET switch or an IGBT switch. For example, for the actuator switching element 12 an n-channel IGBT may be used, which is normally disabled. It should be understood, however, that any other power semiconductor switch for the actuator switch element 12 can also be used.

Es besteht die Möglichkeit, auf das Stellerschaltelement 12 zu verzichten, oder das Stellerschaltelement 12 in einem dauerhaft sperrenden Zustand zu belassen, insbesondere dann, wenn die Potentialdifferenz zwischen der Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d stets innerhalb eines durch eine an die Abgriffsanschlüsse 8e, 8f angeschlossene weitere Komponente vorgegebenen Eingangsspannungsbereichs liegt. In diesem Fall kann in manchen Ausführungsformen auch auf die Ausgangsdiode 11 verzichtet werden.There is a possibility to switch on the actuator 12 to dispense, or the actuator switching element 12 to leave in a permanently blocking state, in particular when the potential difference between the collection point of the half-bridge circuit 9 and the reference terminal 8d always within one of the tapping ports 8e . 8f connected further component predetermined input voltage range is. In this case, in some embodiments, the output diode may also be 11 be waived.

Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kann weiterhin einen Zwischenkreiskondensator 13 aufweisen, welcher zwischen die Abgriffsanschlüsse 8e, 8f der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 geschaltet ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die vom Hochsetzsteller 14 ausgegebenen Strompulse zu puffern und so am Ausgang des Hochsetzstellers 14 eine geglättete Gleichspannung UZK zu erzeugen. Über den Zwischenkreiskondensator 13 kann dann beispielsweise ein Gleichspannungswandler eines Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gespeist werden oder es kann dieses Bordnetz in bestimmten Fällen auch direkt an den Zwischenkreiskondensator 13 angeschlossen werden.The DC tap arrangement 8th can continue a DC link capacitor 13 which is between the tap connections 8e . 8f the DC voltage tap arrangement 8th is switched, and which is designed to that of the boost converter 14 to buffer output current pulses and so at the output of the boost converter 14 to produce a smoothed DC voltage U ZK . Via the DC link capacitor 13 can then be fed, for example, a DC-DC converter of a vehicle electrical system of an electrically powered vehicle or it can in certain cases this vehicle electrical system also directly to the DC link capacitor 13 be connected.

Die Anzahl der Dioden 9a in der Halbbrückenschaltung 9 ist in 4 beispielhaft mit drei angegeben und ist an die Anzahl der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 angepasst. Es sollte dabei klar sein, dass jede andere Anzahl von Dioden in der Halbbrückenschaltung 9 ebenso möglich ist, je nachdem, welche Phasenspannungen von der Energiespeichereinrichtung 1 erzeugt werden.The number of diodes 9a in the half-bridge circuit 9 is in 4 exemplified by three and is the number of output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 customized. It should be understood that any other number of diodes in the half-bridge circuit 9 is also possible, depending on which phase voltages from the energy storage device 1 be generated.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 300 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Das System 300 unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten System 200 im Wesentlichen darin, dass die Dioden 9a mit ihren Kathoden an die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c der Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen sind. In der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 der 5 steht daher an einem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 stets das jeweils momentan niedrigste Potential der Phasenleitungen 2a, 2b, 2c an. Auch in der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 der 5 besteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und dem Bezugsanschluss 8d, welche durch den Hochsetzsteller 14 in eine Gleichspannung UZK hochgesetzt werden kann. 5 shows a schematic representation of a system 300 with an energy storage device 1 and a DC tap arrangement 8th , The system 300 is different from the one in 4 shown system 200 essentially in that the diodes 9a with their cathodes to the phase lines 2a . 2 B . 2c the energy storage device 1 are connected. In the DC tap arrangement 8th of the 5 is therefore at a collection point of the half-bridge circuit 9 always the currently lowest potential of the phase lines 2a . 2 B . 2c at. Also in the DC voltage tap arrangement 8th of the 5 there is a potential difference between the collection point of the half-bridge circuit 9 and the reference terminal 8d , which by the boost converter 14 can be increased in a DC voltage U ZK .

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Erzeugen einer Gleichspannung UZK aus einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 1, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 5 beschrieben. Das Verfahren 20 kann beispielsweise zum Bereitstellen der Gleichspannung UZK für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem 200 oder 300 der 4 oder 5 eingesetzt werden. 6 shows a schematic representation of a method 20 for generating a DC voltage U ZK from an energy storage device, in particular an energy storage device 1 , as related to the 1 to 5 described. The procedure 20 For example, to provide the DC voltage U ZK for an electrical system of an electrically powered vehicle with an electric drive system 200 or 300 of the 4 or 5 be used.

In einem ersten Schritt S1 kann ein Abgreifen eines jeweils momentan betragsmäßig höchsten Potentials an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen. In einem zweiten Schritt S2 kann ein Abgreifen eines Bezugspotentials an einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung erfolgen. Dann kann in einem Schritt S3 die Potentialdifferenz zwischen dem jeweils momentan höchsten Potential und dem Bezugspotential mit einem Hochsetzsteller hochgesetzt werden. Die hochgesetzte Potentialdifferenz kann als Gleichspannung UZK in Schritt S4 bereitgestellt werden. Optional kann in einem Schritt S5 ein Speisen eines Zwischenkreiskondensators 13 mit der bereitgestellten Gleichspannung UZK erfolgen.In a first step S1, a picking up of a respective momentarily highest potential at the plurality of output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 respectively. In a second step S2, a tapping of a reference potential at a reference potential rail of the energy storage device can take place. Then, in a step S3, the potential difference between the currently highest potential and the reference potential can be increased by a boost converter. The high potential difference can be provided as DC voltage U ZK in step S4. Optionally, in a step S5, feeding a DC link capacitor 13 done with the provided DC voltage U ZK .

Wenn das Verfahren 20 zum Betreiben einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 in einer Ausführungsform gemäß z.B. 4 in einem elektrischen Antriebssystem 200 oder 300 eingesetzt wird, kann das Sternpunktpotential der n-phasigen elektrischen Maschine 2 durch gleichmäßiges Erhöhen der Ausgangsspannungen an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 angehoben werden, wenn die seitens der Steuerung der elektrischen Maschine 2 geforderte Potentialdifferenz zwischen dem jeweils momentan höchsten Potential und dem Bezugspotential einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Liegt die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 in einer Ausführungsform gemäß z.B. 5 vor, so kann in entsprechender Weise das Sternpunktpotential der n-phasigen elektrischen Maschine 2 durch gleichmäßiges Absenken der Ausgangsspannungen an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 abgesenkt werden, wenn die seitens der Steuerung der elektrischen Maschine 2 geforderte Potenzialdifferenz zwischen dem Bezugspotenzial und dem jeweils momentan niedrigsten Potenzial einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Das heißt, dass die Ausgangspotentiale aller Energieversorgungszweige Z um einen einheitlichen Wert angehoben bzw. gesenkt werden und dadurch die Eingangsspannung des Hochsetzstellers 14 über den seitens der Steuerung der elektrischen Maschine 2 vorgegebenen Wert hinaus erhöht wird, ohne dass die Statorspannungen und/oder Statorströme der elektrischen Maschine 2 beeinflusst werden.If the procedure 20 for operating a DC tap arrangement 8th in one embodiment according to eg 4 in an electric drive system 200 or 300 is used, the neutral point potential of the n-phase electric machine 2 by steadily increasing the output voltages at the plurality of output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 be raised when the part of the control of the electric machine 2 Required potential difference between the currently highest potential and the reference potential falls below a predetermined threshold. Is the Gleichspannungsabgriffsanordnung 8th in one embodiment according to eg 5 before, so can the star point potential of the n-phase electric machine in a corresponding manner 2 by uniformly lowering the output voltages at the plurality of output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 be lowered when the part of the control of the electric machine 2 Required potential difference between the reference potential and the currently lowest potential is below a predetermined threshold. This means that the output potentials of all energy supply branches Z are raised or lowered by a uniform value and thereby the input voltage of the boost converter 14 on the part of the control of the electric machine 2 predetermined value is increased without the stator voltages and / or stator currents of the electric machine 2 to be influenced.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (13)

Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) für eine Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, mit: einer Halbbrückenschaltung (9) mit einer Vielzahl von Sammelanschlüssen (8a, 8b, 8c), welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind; einem Bezugsanschluss (8d), welcher mit einer Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist; und einem Hochsetzsteller (14), welcher zwischen die Halbbrückenschaltung (9) und den Bezugsanschluss (8d) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Potential zwischen der Halbbrückenschaltung (9) und dem Bezugsanschluss (8d) eine Gleichspannung (UZK) an Abgriffsanschlüssen (8e, 8f) der Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) bereitzustellen.DC voltage tapping arrangement ( 8th ) for an energy storage device ( 1 ), which have a plurality of energy supply branches (Z) each with a plurality of energy storage modules ( 3 ) for generating an AC voltage at a plurality of output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ), comprising: a half-bridge circuit ( 9 ) with a plurality of hunt groups ( 8a . 8b . 8c ), each connected to one of the output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ) are coupled; a reference terminal ( 8d ), which is connected to a reference potential rail ( 4 ) of the energy storage device ( 1 ) is coupled; and a boost converter ( 14 ), which between the half-bridge circuit ( 9 ) and the reference terminal ( 8d ), which is designed in dependence on the potential between the half-bridge circuit ( 9 ) and the reference terminal ( 8d ) a DC voltage (U ZK ) at tapping terminals ( 8e . 8f ) of the DC voltage tapping arrangement ( 8th ). Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) nach Anspruch 1, wobei die Halbbrückenschaltung (9) eine Vielzahl von Dioden (9a) aufweist, welche jeweils zwischen den Hochsetzsteller (14) und einen der Vielzahl von Sammelanschlüssen (8a, 8b, 8c) gekoppelt sind.DC voltage tapping arrangement ( 8th ) according to claim 1, wherein the half-bridge circuit ( 9 ) a plurality of diodes ( 9a ), which in each case between the boost converter ( 14 ) and one of the plurality of hunt groups ( 8a . 8b . 8c ) are coupled. Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) nach Anspruch 2, wobei die Halbbrückenschaltung (9) eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln (9b) aufweist, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden (9a) und den Hochsetzsteller (14) gekoppelt sind.DC voltage tapping arrangement ( 8th ) according to claim 2, wherein the half-bridge circuit ( 9 ) a plurality of commutating reactors ( 9b ), which in each case between the plurality of diodes ( 9a ) and the boost converter ( 14 ) are coupled. Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hochsetzsteller (14) eine Wandlerdrossel (10), eine Ausgangsdiode (11), und ein Stellerschaltelement (12) aufweist.DC voltage tapping arrangement ( 8th ) according to one of claims 1 to 3, wherein the boost converter ( 14 ) a converter choke ( 10 ), an output diode ( 11 ), and an actuator switching element ( 12 ) having. Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) nach Anspruch 4, wobei das Stellerschaltelement (12) einen Leistungshalbleiterschalter aufweist. DC voltage tapping arrangement ( 8th ) according to claim 4, wherein the actuator switching element ( 12 ) has a power semiconductor switch. Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin mit: einem Zwischenkreiskondensator (13), welcher zwischen die Abgriffsanschlüsse (8e, 8f) der Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, mit den durch den Hochsetzsteller (14) erzeugten Ausgangsstrompulsen gespeist zu werden und diese in eine geglättete Gleichspannung (UZK) am Ausgang des Hochsetzstellers (14) zu überführen.DC voltage tapping arrangement ( 8th ) according to one of claims 1 to 5, further comprising: a DC link capacitor ( 13 ), which between the tap connections ( 8e . 8f ) of the DC voltage tapping arrangement ( 8th ), and which is designed to be connected to the one by the boost converter ( 14 ) output current pulses to be fed and these in a smoothed DC voltage (U ZK ) at the output of the boost converter ( 14 ). Elektrisches Antriebssystem (200; 300), mit: einer Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist; und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, deren Sammelanschlüsse (8a, 8b, 8c) jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, und deren Bezugsanschluss (8d) mit einer Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist.Electric drive system ( 200 ; 300 ), comprising: an energy storage device ( 1 ), which have a plurality of energy supply branches (Z) each with a plurality of energy storage modules ( 3 ) for generating an AC voltage at a plurality of output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ) having; and a DC voltage tapping arrangement ( 8th ) according to one of claims 1 to 6, whose harbors ( 8a . 8b . 8c ) each with one of the output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ) and their reference terminal ( 8d ) with a reference potential rail ( 4 ) of the energy storage device ( 1 ) is coupled. Elektrisches Antriebssystem (200; 300) nach Anspruch 7, weiterhin mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (2) mit n Phasenanschlüssen, welche mit den Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, wobei n ≥ 1.Electric drive system ( 200 ; 300 ) according to claim 7, further comprising: an n-phase electric machine ( 2 ) with n phase terminals connected to the output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ), where n ≥ 1. Verfahren (20) zum Erzeugen einer Gleichspannung (UZK) aus einer Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, mit den Schritten: Abgreifen (S1) eines jeweils momentan betragsmäßig höchsten Potentials an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1); Abgreifen (S2) eines Bezugspotentials an einer Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1); Hochsetzen (S3) der Potentialdifferenz zwischen dem jeweils momentan höchsten Potential und dem Bezugspotential mit einem Hochsetzsteller (14); und Bereitstellen (S4) einer von der hochgesetzten Potentialdifferenz abhängigen Gleichspannung (UZK). Procedure ( 20 ) for generating a DC voltage (U ZK ) from an energy storage device ( 1 ), which have a plurality of energy supply branches (Z) each with a plurality of energy storage modules ( 3 ) for generating an AC voltage at a plurality of output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ), comprising the steps of: picking up (S1) of a momentarily highest potential at the plurality of output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ); Picking up (S2) a reference potential at a reference potential rail ( 4 ) of the energy storage device ( 1 ); Raising (S3) the potential difference between the currently highest potential and the reference potential with a boost converter ( 14 ); and providing (S4) a DC voltage (U ZK ) dependent on the high potential difference. Verfahren (20) nach Anspruch 9, weiterhin mit dem Schritt: Speisen (S5) eines Zwischenkreiskondensators (13) mit der bereitgestellten Gleichspannung (UZK).Procedure ( 20 ) according to claim 9, further comprising the step: feeding (S5) an intermediate circuit capacitor ( 13 ) with the provided DC voltage (U ZK ). Verfahren (20) nach Anspruch 10 zum Bereitstellen der Gleichspannung (UZK) für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem (200; 300) nach Anspruch 8.Procedure ( 20 ) according to claim 10 for providing the DC voltage (U ZK ) for an electrical system of an electrically operated vehicle with an electric drive system ( 200 ; 300 ) according to claim 8. Verfahren (20) nach Anspruch 11, wobei das Sternpunktpotential der n-phasigen elektrischen Maschine (2) durch gleichmäßiges Erhöhen der Ausgangsspannungen an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) angehoben wird, wenn die für den Betrieb der elektrischen Maschine (2) erforderliche Potentialdifferenz zwischen dem jeweils momentan höchsten Potential und dem Bezugspotential einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.Procedure ( 20 ) according to claim 11, wherein the star point potential of the n-phase electric machine ( 2 by steadily increasing the output voltages at the plurality of output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ) is raised when, for the operation of the electrical machine ( 2 ) required potential difference between each currently highest potential and the reference potential falls below a predetermined threshold. Verfahren (20) nach Anspruch 11, wobei das Sternpunktpotential der n-phasigen elektrischen Maschine (2) durch gleichmäßiges Verringern der Ausgangsspannungen an der Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) abgesenkt wird, wenn die für den Betrieb der elektrischen Maschine (2) erforderliche Potentialdifferenz zwischen dem Bezugspotenzial und dem jeweils momentan geringsten Potential einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.Procedure ( 20 ) according to claim 11, wherein the star point potential of the n-phase electric machine ( 2 by uniformly reducing the output voltages at the plurality of output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ) is lowered when the for the operation of the electric machine ( 2 ) required potential difference between the reference potential and the respective currently lowest potential falls below a predetermined threshold.
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