DE102012210010A1 - Energy storage device for producing power supply voltage for e.g. synchronous machine in hybrid car, has module intermediate circuit coupled with conversion circuit for selectively switching or bridging in supply strands - Google Patents

Energy storage device for producing power supply voltage for e.g. synchronous machine in hybrid car, has module intermediate circuit coupled with conversion circuit for selectively switching or bridging in supply strands Download PDF

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DE102012210010A1
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Martin Kessler
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Abstract

The device has power supply strands coupled between two output terminals of the device. An energy storage cell module (5) comprises energy storage cells (5a, 5k). A synchronous conversion circuit (13) is coupled with the cell module and comprises a supply switch (18a), a return flow switch (18b) and a module storage inductor (14). A module intermediate circuit (19) is coupled with the conversion circuit. A switch (7) is provided with a set of coupling elements (7a-7d). The intermediate circuit selectively switches or bridges in the strands. Independent claims are also included for the following: (1) a system comprising a control device (2) a method for providing a power supply voltage in an energy storage device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung, insbesondere in Batteriedirektumrichterschaltungen und Batteriekonverterschaltungen zur Spannungsversorgung elektrischer Maschinen, beispielsweise in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge.The invention relates to an energy storage device, a system having an energy storage device and method for providing a supply voltage, in particular in Batterieiedirektumrichterschaltungen and battery converter circuits for powering electrical machines, for example, in electric drive systems electrically powered vehicles.

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.

Zur Einspeisung von Drehstrom in eine elektrische Maschine wird herkömmlicherweise über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis wird 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. Ein derartiges Energiespeichersystem findet beispielsweise häufig Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen.To feed three-phase current into an electrical machine, a DC voltage provided by a DC voltage intermediate circuit is conventionally converted into a three-phase AC voltage via a converter in the form of a pulse-controlled inverter. The DC link is powered 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. For example, such an energy storage system is often used in electrically powered vehicles.

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.

Die Druckschrift US 5,422,558 A offenbart ein modulares Batteriezellmanagementsystem, bei dem mehrere Batteriezellen selektiv zur Energieversorgung einer Last parallel geschaltet werden können.The publication US 5,422,558 A discloses a modular battery cell management system in which multiple battery cells can be selectively connected in parallel to power a load.

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 den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsbreitenmodulation, 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 in die Batterie 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 in this case have a plurality of energy storage modules connected in series, wherein each energy storage module has at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which makes it possible to interrupt the respective energy storage module string depending on control signals or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each associated with at least one battery cell in the respective energy storage module string to switch. 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 into the battery.

Als Alternative offenbaren die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 modular verschaltete Batteriezellen in Energiespeichereinrichtungen, die über eine geeignete Ansteuerung von Koppeleinheiten selektiv in den Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen zu- oder abgekoppelt werden können. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Battery Direct Converter (Batteriedirektwandler, BDC) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in einem Energiespeichermodulstrang, welche an einen Gleichspannungszwischenkreis zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Netzes über einen Pulswechselrichter anschließbar sind.As an alternative, the publications disclose DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1 modularly interconnected battery cells in energy storage devices that can be selectively connected or disconnected via a suitable control of coupling units in the strand of serially connected battery cells. Systems of this type are known as the Battery Direct Converter (BDC). Such systems include DC sources in an energy storage module string, which can be connected to a DC voltage intermediate circuit for the electrical power supply of an electrical machine or an electrical network via a pulse inverter.

BDCs und BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können.BDCs and BDIs typically have higher efficiency and higher reliability over conventional systems. The reliability is ensured, inter alia, that defective, failed or not fully efficient battery cells can be switched out by suitable bridging control of the coupling units from the power supply lines.

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. Optional 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.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. Optionally, the coupling unit can be designed such that it additionally allows the respectively associated at least one battery cell also with inverse To switch polarity in the respective energy storage module string or to interrupt the respective energy storage module string.

Die Gesamtausgangsspannung von BDCs und BDIs wird durch den Ansteuerzustand der Koppeleinheiten bestimmt und kann stufig eingestellt werden, wobei die Stufung der Gesamtausgangsspannung von den Einzelspannungen der Energiespeichermodule abhängig ist. Dabei ist es wünschenswert, die jeweiligen Energiespeichermodule verlustarm in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang einzukoppeln. Es besteht daher ein Bedarf an Energiespeichereinrichtungen, welche eine effiziente, verlustarme und schwankungsarme Einkopplung der Energiespeichermodule zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung der Energiespeichereinrichtungen aufweisen, geringe Anforderungen an die Auslegung der übrigen Systemkomponenten stellen und die Systemverfügbarkeit verbessern.The total output voltage of BDCs and BDIs is determined by the driving state of the coupling units and can be set in stages, wherein the gradation of the total output voltage of the individual voltages of the energy storage modules is dependent. It is desirable to couple the respective energy storage modules with little loss in the respective energy storage module string. There is therefore a need for energy storage devices which have an efficient, low-loss and low-fluctuation coupling of the energy storage modules for providing a supply voltage of the energy storage devices, make low demands on the design of the remaining system components and improve the system availability.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine, mit mindestens einem Energieversorgungsstrang, welcher zwischen zwei Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist. Der Energieversorgungsstrang weist dabei ein oder mehrere in dem Energieversorgungsstrang in Reihe geschaltete Energiespeichermodule auf. Die Energiespeichermodule weisen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle, eine Synchronwandlerschaltung, welche mit dem Energiespeicherzellenmodul gekoppelt ist und welche einen Versorgungsschalter, einen Rückflussschalter und eine Modulspeicherinduktivität aufweist, einen Modulzwischenkreis, welcher mit der Synchronwandlerschaltung gekoppelt ist, und eine Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen auf, welche dazu ausgelegt ist, den Modulzwischenkreis selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken.The present invention provides, according to one embodiment, an energy storage device for generating a supply voltage for an electric machine, with at least one power supply line, which is coupled between two output terminals of the energy storage device. The power supply line has one or more energy storage modules connected in series in the energy supply train. The energy storage modules each have an energy storage cell module with at least one energy storage cell, a synchronous converter circuit which is coupled to the energy storage cell module and which has a supply switch, a return flow switch and a module storage inductance, a module intermediate circuit, which is coupled to the synchronous converter circuit, and a coupling device with a plurality of coupling elements which is designed to selectively connect or bypass the module intermediate circuit in the respective power supply line.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, und einer Steuereinrichtung, welche mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen und die Synchronwandlerschaltungen der Energiespeichermodule zum Einstellen einer Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung anzusteuern.According to a further embodiment, the present invention provides a system having an energy storage device according to the invention, and a control device which is coupled to the energy storage device and which is designed to control the coupling devices and the synchronous converter circuits of the energy storage modules for setting a supply voltage at the output terminals of the energy storage device ,

Gemäß einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung in einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, mit den Schritten des Ansteuerns der Synchronwandlerschaltungen einer Anzahl von Energiespeichermodulen des Energieversorgungsstrangs zum Speisen des jeweiligen Modulzwischenkreises aus den jeweiligen Energiespeicherzellenmodulen, des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen der Anzahl von Energiespeichermodulen des Energieversorgungsstrangs zum Koppeln der jeweiligen Modulzwischenkreise in den Energieversorgungsstrang, und des Bereitstellens einer Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung durch die angesteuerten Modulzwischenkreise in den Energieversorgungsstrang.According to a further embodiment, the present invention provides a method for providing a supply voltage in an energy storage device according to the invention, comprising the steps of driving the synchronous converter circuits of a number of energy storage modules of the power supply line for feeding the respective module intermediate circuit from the respective energy storage cell modules, driving the coupling devices of the number of energy storage modules the power supply line for coupling the respective module intermediate circuits in the power supply line, and providing an output voltage at the output terminals of the energy storage device by the controlled module intermediate circuits in the power supply line.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeichereinrichtung mit modular aufgebauten Energieversorgungssträngen aus einer Serienschaltung von Energiespeichermodulen auszugestalten, wobei die Energiespeichermodule jeweils Energiespeicherzellen aufweisen, die sich über eine modulinterne Synchronwandlerschaltung als variable Stromquelle in den jeweiligen Energieversorgungsstrang koppeln lassen.One idea of the present invention is to design an energy storage device with modularly constructed energy supply strands from a series circuit of energy storage modules, wherein the energy storage modules each have energy storage cells that can be coupled via a module-internal synchronous converter circuit as a variable current source in the respective power supply line.

Derartige Energiespeichermodule können in einfacher und effizienter Weise parallelisiert werden. Zudem können die bei einer asymmetrischen Ansteuerung einzelner parallel geschalteter Energieversorgungsstränge, das heißt, bei einer ungleichmäßigen Belastungen durch zeitlich versetzte Phasenströme, Ausgleichsströme effektiv kontrolliert und verlustarm zwischengespeichert werden. Such energy storage modules can be parallelized in a simple and efficient manner. In addition, in the case of an asymmetrical activation of individual power supply strings connected in parallel, that is to say in the case of uneven loads due to time-shifted phase currents, equalizing currents can be effectively controlled and buffered with little loss.

Die Energieversorgungsstränge eines Energieversorgungsstrangverbunds können dabei zur Kontrolle der zwischen den Energieversorgungssträngen fließenden Ausgleichsströme über Koppelinduktivitäten verbunden werden. Die Energiespeichereinrichtung kann dabei einen oder mehrere dieser Energieversorgungsstrangverbunde zur Bereitstellung einer ein- oder mehrphasigen Gesamtausgangsspannung umfassen.The power supply lines of a power supply line network can be connected to control the flowing between the power supply lines compensating currents via coupling inductances. The energy storage device may include one or more of these power supply string assemblies for providing a single or multi-phase total output voltage.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass viele Energiespeichermodule bzw. Energieversorgungsstränge parallelisiert werden können, ohne dass es zu Problemen durch erhöhte Ausgleichsströme kommt. Diese flexible und effiziente Parallelisierungsmöglichkeit bringt viele weitere Vorteile mit sich:
Durch die Parallelschaltung der Energieversorgungsstränge zu einem Energieversorgungsstrangverbund kann der Energieinhalt des Energieversorgungsstrangverbunds in vorteilhafter Weise erhöht werden, ohne dass die über die jeweiligen Energieversorgungsstränge abfallenden Gesamtspannungen erhöht werden müssen.It is particularly advantageous that many energy storage modules or energy supply lines can be parallelized, without causing problems due to increased compensation currents. This flexible and efficient parallelization option brings many other benefits:
By the parallel connection of the power supply lines to a power supply network, the energy content of the power supply network can be increased in an advantageous manner, without the over the respective power supply lines sloping total voltages must be increased.

Vorteilhafterweise können Verluste in den Energiespeicherzellen der Energiespeichermodule dadurch reduziert werden, dass deren Innenwiderstände über die Energieversorgungsstränge im Energieversorgungsstrangverbund parallel geschaltet werden. Dies ermöglicht die Bereitstellung hoher Ausgangsströme ohne damit verbundene Verluste in den Energiespeicherzellen. Damit zeichnet sich die Energiespeichereinrichtung besonders bei einem Einsatz in Systemen aus, in denen hohe Stromstärken erforderlich sind, beispielsweise in elektrischen Antriebssystemen für elektrisch betriebene Fahrzeuge, bei denen für Anfahr- oder Beschleunigungssituationen ein hoher Eingangsstrom für die elektrische Maschine benötigt wird, oder bei Maschinen mit hoher Last wie beispielsweise Schiffsantriebseinheiten. Auch für stationäre Systeme wie beispielsweise Pufferspeicher in Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder sonstigen großindustriellen Energieerzeugungsanlagen sind derartige Energiespeichereinrichtungen aufgrund ihrer Variabilität und Skalierbarkeit besonders gut geeignet. Advantageously, losses in the energy storage cells of the energy storage modules can be reduced in that their internal resistances are connected in parallel via the energy supply strands in the energy supply network. This allows the provision of high output currents without associated losses in the energy storage cells. Thus, the energy storage device is particularly suitable for use in systems in which high currents are required, for example in electric drive systems for electrically powered vehicles, where for start-up or acceleration situations, a high input current for the electric machine is required, or in machines with high load such as marine propulsion units. Also, for stationary systems such as storage tanks in wind turbines, photovoltaic systems or other large-scale industrial power generation plants such energy storage devices are particularly well suited due to their variability and scalability.

Überdies kann durch die Parallelschaltung der Energieversorgungsstränge erreicht werden, dass Teilstränge, die die geforderte Spannung beispielsweise aufgrund ihrer Alterung oder wegen Defekten nicht mehr bereitstellen können, temporär oder dauerhaft abgeschaltet werden können, ohne die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems wesentlich zu beeinträchtigen. Dabei stellen besonders die parallel geschalteten Systemkomponenten redundante Schaltungsteile dar, die die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems beträchtlich verbessern können. Energieversorgungsstränge mit aufgrund von Defekten überbrückten temporär oder dauerhaft Energiespeichermodulen können durch die Ankopplung der Energiespeicherzellen über eine Synchronwandlerschaltung in ihrer Ausgangsspannung hochgesetzt werden und weiterhin die geforderten Spannungswerte erreichen.Moreover, can be achieved by the parallel connection of the power supply strands that sub-strands that can no longer provide the required voltage, for example due to their aging or because of defects can be switched off temporarily or permanently, without significantly affecting the basic functionality of the overall system. In particular, the system components connected in parallel represent redundant circuit parts which can considerably improve the reliability of the overall system. Power supply strings with temporary or permanent energy storage modules bridged due to defects can be boosted in their output voltage by the coupling of the energy storage cells via a synchronous converter circuit and can furthermore achieve the required voltage values.

Dadurch, dass die Änderungen des Stroms in den Energiespeicherzellen aufgrund der Zwischenspeicherung der Energie in den strangeigenen Speicherinduktivitäten auf geringe Werte begrenzt sind, sind die Wechselstromverluste in den einzelnen Energiespeichermodulen der parallel geschalteten Energieversorgungsstränge ebenfalls begrenzt. Dadurch ergeben sich zum einen eine erhöhte Lebensdauer der Energiespeicherzellen, und zum anderen eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.Due to the fact that the changes in the current in the energy storage cells are limited to low values due to the buffering of the energy in the strange-state storage inductances, the AC losses in the individual energy storage modules of the parallel-connected energy supply strings are likewise limited. This results in a longer life of the energy storage cells, and on the other hand, an improved electromagnetic compatibility.

Schließlich macht der modulare Aufbau der Energiespeichermodule eine feine Stufung des Gesamtausgangsstroms möglich, beispielsweise durch die phasenversetzte Ansteuerung der jeweiligen Koppeleinheiten für die einzelnen Energiespeicherzellenmodule. Dadurch sinkt in vorteilhafter Weise die Belastung durch Stromschwankungen auf einen nachgeschalteten Zwischenkreiskondensator, was wiederum in verringerten Spannungsschwankungen resultiert. Dies ermöglicht die Verwendung von Zwischenkreiskondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit.Finally, the modular design of the energy storage modules makes a fine grading of the total output current possible, for example by the phase-offset control of the respective coupling units for the individual energy storage cell modules. This advantageously reduces the load due to current fluctuations on a downstream DC link capacitor, which in turn results in reduced voltage fluctuations. This allows the use of DC bus capacitors with lower dielectric strength.

Durch die Parallelschaltung der Energieversorgungsstränge können Ausgleichsströme, die zwischen den parallel geschalteten Energieversorgungssträngen fließen, geregelt und zum Ladungsausgleich herangezogen werden. Die einzelnen Energieversorgungsstränge können auch über Regelung der einzelnen Beiträge zu der gesamten Ausgangsleistung angesteuert werden. Die Rekuperationsleistung kann auf die einzelnen Energieversorgungsstränge im generatorischen Betrieb der Maschine aufgeteilt werden.By the parallel connection of the power supply lines compensation currents that flow between the parallel-connected power supply lines, regulated and used for charge equalization. The individual power supply lines can also be controlled by regulating the individual contributions to the total output power. The recuperation power can be divided between the individual power supply lines during regenerative operation of the machine.

In einem System mit einem Gleichspannungszwischenkreis kann aufgrund der den parallel geschalteten Energieversorgungssträngen jeweils zugeordneten Speicherinduktivitäten auf eine zusätzliche, den Summenstrom der parallel geschalteten Energieversorgungsstränge führenden Speicherdrossel vor dem Gleichspannungszwischenkreis verzichtet werden. Dies führt auch dazu, dass die potentielle Neigung zu Spannungsschwankungen bzw. Stromstärkenschwankungen einer derartigen Speicherdrossel im Zusammenspiel mit einem Gleichspannungszwischenkreiskondensator entfällt.In a system with a DC intermediate circuit can be dispensed with before the DC intermediate circuit due to the parallel-connected power supply strands respectively associated storage inductances on an additional, the sum of the parallel-connected power supply lines leading storage choke. This also leads to the fact that the potential tendency to voltage fluctuations or current fluctuations of such a storage inductor in conjunction with a DC voltage intermediate capacitor omitted.

Mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß der Erfindung kann die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises stabilisiert oder variabel an den Arbeitspunkt des Systems angepasst werden. Durch diese Stabilisierung ist eine effektivere und günstigere Auslegung aller Komponenten des Gesamtsystems möglich. Die elektrische Maschine, der Inverter und mögliche Zusatzkomponenten wie zum Beispiel ein Bordnetzgleichspannungswandler können mit höherem Wirkungsgrad ausgelegt werden. Die elektrische Maschine benötigt dadurch weniger Bauraum und der Inverter weist eine geringere Verlustleistung auf. Die Batteriezellen können flexibler ausgewählt werden, da die Kapazität und die Nennspannung der Zellen besser aufeinander abgestimmt werden können.With an energy storage device according to the invention, the voltage of the DC intermediate circuit can be stabilized or variably adjusted to the operating point of the system. This stabilization makes possible a more effective and more favorable design of all components of the overall system. The electrical machine, the inverter and possible additional components such as an on-board DC voltage converter can be designed with higher efficiency. The electrical machine requires less space and the inverter has a lower power loss. The battery cells can be selected more flexibly, since the capacity and the nominal voltage of the cells can be better coordinated.

Ein variabel an den Arbeitspunkt eines eine erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung nutzenden Systems angepasste Zwischenkreisspannung ermöglicht es, die Verluste im Inverter zu reduzieren, wenn im Arbeitspunkt nur eine geringe Spannung erforderlich ist. Dadurch können günstige Bauelemente mit niedrigen Leistungs- und/oder Entwärmungsanforderungen eingesetzt werden.A variable intermediate circuit voltage adapted to the operating point of a system using an energy storage device according to the invention makes it possible to reduce the losses in the inverter when only a low voltage is required at the operating point. As a result, low-cost components with low power and / or cooling requirements can be used.

Zudem können durch eine asymmetrische Ansteuerung der Energiespeichereinrichtung auftretende Ausgleichsströme in vorteilhafter Weise für ein aktives Balancing, das heißt, ein Anpassen der Ladungszustände einzelner Energiespeicherzellen innerhalb des Energieversorgungsstrangs oder zwischen Energieversorgungssträngen ausgenutzt werden. In addition, by an asymmetrical control of the energy storage device occurring compensation currents advantageously for a active balancing, that is, an adaptation of the charge states of individual energy storage cells within the power supply line or between power supply lines are exploited.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen jeweils eine Vielzahl von Koppelelementen in Vollbrückenschaltung aufweisen. Alternativ können die Koppeleinrichtungen jeweils eine Vielzahl von Koppelelementen in Halbbrückenschaltung aufweisen.According to one embodiment of the energy storage device according to the invention, the coupling devices can each have a plurality of coupling elements in full-bridge connection. Alternatively, the coupling devices may each have a plurality of coupling elements in half-bridge circuit.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann die mindestens eine Energiespeicherzelle einen Lithium- Ionen-Akkumulator aufweisen.According to a further embodiment of the energy storage device according to the invention, the at least one energy storage cell may comprise a lithium-ion accumulator.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin einen Inverter, welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, und eine elektrische Maschine, welche mit dem Inverter gekoppelt ist, umfassen. Dabei kann der Inverter dazu ausgelegt sein, die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises in eine Eingangsspannung für die elektrische Maschine zu wandeln.According to an embodiment of the system according to the invention, the system may further comprise an inverter coupled to the DC link and an electrical machine coupled to the inverter. In this case, the inverter can be designed to convert the voltage of the DC intermediate circuit into an input voltage for the electrical machine.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann das System weiterhin eine n-phasige elektrische Maschine, mit n > 1 aufweisen, deren Phasenanschlüsse jeweils mit einem der Vielzahl von ersten Ausgangsanschlüssen gekoppelt sind, wobei die Energiespeichereinrichtung in mindestens n Energieversorgungszweigen angeordnete Energieversorgungsstränge aufweist und dazu ausgelegt ist, eine n-phasige Versorgungsspannung für die elektrische Maschine bereitzustellen.According to a further embodiment of the system according to the invention, the system may further comprise an n-phase electric machine having n> 1 whose phase terminals are each coupled to one of the plurality of first output terminals, wherein the energy storage means comprises and configured power supply strings arranged in at least n power supply branches is to provide an n-phase supply voltage for the electric machine.

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 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic representation of a system with an energy storage device according to an embodiment of the present invention;

2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2 a schematic representation of an embodiment of an energy storage module of an energy storage device according to another embodiment of the present invention;

3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3 a schematic representation of another embodiment of an energy storage module of an energy storage device according to another embodiment of the present invention;

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

5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 5 a schematic representation of another embodiment of an energy storage module of an energy storage device according to another embodiment of the present invention; and

6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 a schematic representation of a method for providing a supply voltage with an energy storage device according to another embodiment of the present invention.

1 zeigt ein System 100, welches eine Energiespeichereinrichtung 1 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung durch parallel schaltbare Energieversorgungsstränge 10a, 10b zwischen zwei Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 umfasst. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b weisen jeweils Stranganschlüsse 1a und 1b auf. Die Energiespeichereinrichtung 1 weist mindestens zwei parallel geschaltete Energieversorgungsstränge 10a, 10b auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energieversorgungsstränge 10a, 10b in 1 zwei, wobei jedoch jede andere größere Anzahl von Energieversorgungsstränge 10a, 10b ebenso möglich ist. Es kann dabei gleichermaßen auch möglich sein, nur einen Energieversorgungsstrang 10a zwischen die Stranganschlüsse 1a und 1b zu schalten, die in diesem Fall die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung 1 bilden. 1 shows a system 100 which is an energy storage device 1 for providing a supply voltage by parallel switchable power supply lines 10a . 10b between two output terminals of the energy storage device 1 includes. The power supply lines 10a . 10b each have strand connections 1a and 1b on. The energy storage device 1 has at least two power supply lines connected in parallel 10a . 10b on. By way of example, the number of power supply lines 10a . 10b in 1 two, but with each other having a larger number of power supply strings 10a . 10b is also possible. It may equally be possible, but only one power supply line 10a between the strand connections 1a and 1b in this case the output terminals of the energy storage device 1 form.

Da die Energieversorgungsstränge 10a, 10b über die Stranganschlüsse 1a, 1b der Energieversorgungsstränge 10a, 10b parallel geschaltet werden können, wirken die Energieversorgungsstränge 10a, 10b als Stromquellen variablen Ausgangsstroms. Die Ausgangsströme der Energieversorgungsstränge 10a, 10b summieren sich dabei an dem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung 1 zu einem Gesamtausgangsstrom.Because the power supply lines 10a . 10b over the strand connections 1a . 1b the power supply lines 10a . 10b can be connected in parallel, the power supply lines act 10a . 10b as current sources variable output current. The output currents of the power supply lines 10a . 10b in this case add up to the output terminal of the energy storage device 1 to a total output current.

Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b können dabei jeweils über Speicherinduktivitäten 2a, 2b mit dem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt sein. Die Speicherinduktivitäten 2a, 2b können beispielsweise konzentrierte oder verteilte Bauelemente sein. Alternativ können auch parasitäre Induktivitäten der Energieversorgungsstränge 10a, 10b als Speicherinduktivitäten 2a, 2b eingesetzt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Energieversorgungsstränge 10a, 10b kann der Stromfluss in den Gleichspannungszwischenkreis 9 gesteuert werden. Ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b höher als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Gleichspannungszwischenkreis 9, ist die mittlere Spannung vor dem Speicherinduktivitäten 2a, 2b hingegen niedriger als die momentane Zwischenkreisspannung, erfolgt ein Stromfluss in den Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b. Der maximale Strom wird dabei durch die Speicherinduktivitäten 2a, 2b im Zusammenspiel mit dem Gleichspannungszwischenkreis 9 begrenzt.The power supply lines 10a . 10b can each have storage inductances 2a . 2 B to the output terminal of the energy storage device 1 be coupled. The storage inductances 2a . 2 B For example, they may be concentrated or distributed components. Alternatively, parasitic inductances of the power supply lines 10a . 10b when storage inductors 2a . 2 B be used. By appropriate control of the power supply lines 10a . 10b can the current flow in the DC voltage intermediate circuit 9 to be controlled. Is the mean voltage before the storage inductances 2a . 2 B higher than the instantaneous intermediate circuit voltage, there is a current flow in the DC voltage intermediate circuit 9 , is the mean voltage before the storage inductances 2a . 2 B however, lower than the instantaneous DC link voltage, there is a current flow in the power supply line 10a respectively. 10b , The maximum current is thereby through the storage inductances 2a . 2 B in interaction with the DC voltage intermediate circuit 9 limited.

Auf diese Art und Weise wirkt jeder Energieversorgungsstrang 10a bzw. 10b über die Speicherinduktivitäten 2a, 2b als variable Stromquelle, die sich sowohl für eine Parallelschaltung als auch zur Realisierung von Stromzwischenkreisen eignen. Die Energieversorgungsstränge 10a, 1b können dabei über eine Strangkoppeleinrichtung 8 mit dem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt werden. Im Falle eines einzelnen Energieversorgungsstrangs 10a kann auf die Speicherinduktivitäten 2a bzw. 2b sowie Strangkoppeleinrichtung 8 auch verzichtet werden, so dass der Energieversorgungsstrang 10a direkt zwischen die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist.In this way, each power supply line acts 10a respectively. 10b about the storage inductances 2a . 2 B as a variable current source, which are suitable both for parallel connection and for the realization of current intermediate circuits. The power supply lines 10a . 1b can in this case via a strand coupling device 8th to the output terminal of the energy storage device 1 be coupled. In the case of a single power supply string 10a can on the memory inductances 2a respectively. 2 B as well as strand coupling device 8th also be dispensed with, so that the power supply line 10a directly between the output terminals of the energy storage device 1 is coupled.

Jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungsstrang in 1 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungsstrang 10a, 10b eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann.Each of the power supply lines 10a . 10b has at least two energy storage modules connected in series 3 on. By way of example, the number of energy storage modules 3 per power supply line in 1 two, but any other number of energy storage modules 3 is also possible. Preferably, each of the power supply lines comprises 10a . 10b the same number of energy storage modules 3 However, it is also possible for each power supply line 10a . 10b a different number of energy storage modules 3 provided. 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.

Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a und 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a, 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 and 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 . 5k ,

Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 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 or accumulators have. The number of energy storage cells is 5a to 5k in the 2 shown energy storage module 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 eine Synchronwandlerschaltung 13 mit einem Modulzwischenkreis 19 gekoppelt, dessen Ausgangsanschlüsse wiederum mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden sind. 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. Die Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden auch jeweils in die Halbleiterschalter integriert sein.The energy storage cell modules 5 are via a synchronous converter circuit 13 with a module intermediate circuit 19 coupled, the output terminals in turn with input terminals of the associated coupling device 7 are 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. The semiconductor switches may comprise field effect transistors (FETs), for example. In this case, the freewheeling diodes can also be integrated in each case in the semiconductor switches.

Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d in 2 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 11 in 1, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 bzw. der Modulzwischenkreis 19 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 bzw. der Modulzwischenkreis 19 überbrückt wird. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Modulzwischenkreise 19 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b integriert werden.The coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d in 2 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 11 in 1 in that the energy storage cell module 5 or the module intermediate circuit 19 selectively between the output terminals 3a and 3b is switched or that the energy storage cell module 5 or the module intermediate circuit 19 is bridged. By suitable activation of the coupling devices 7 can therefore individual module intermediate circuits 19 the energy storage modules 3 specifically in the series connection of a power supply line 10a . 10b to get integrated.

Mit Bezug auf 2 kann der Modulzwischenkreis 19 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. In diesem Fall liegt zwischen den Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung UM an. 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 beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schalter der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden. In beiden Überbrückungszuständen liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung 0 an. Ebenso kann der Modulzwischenkreis 19 in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 geschaltet werden, indem die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand versetzt werden. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung –UM an.Regarding 2 can the module DC link 19 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. In this case lies between the output terminals 3a and 3b the coupling device 7 the voltage U M on. 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 bridging state can be set, for example, by virtue of the fact that the two active switches of the coupling elements 7c and 7d be placed in the closed state, while the active switching elements of the coupling elements 7a and 7b kept open. In both bridging states lies between the two output terminals 3a and 3b the coupling device 7 the voltage 0. Likewise, the module DC link 19 in the reverse direction between the output terminals 3a and 3b the coupling device 7 be switched by the active switching elements of the coupling elements 7b and 7c be placed in the closed state, while the active switching elements of the coupling elements 7a and 7d be put in the open state. In this case lies between the two output terminals 3a and 3b the coupling device 7 the voltage -U M on.

Die Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 skaliert. Bei einer Anzahl von n ersten und zweiten Energiespeichermodulen 3 kann die Gesamt-Ausgangsspannung des The total output voltage of a power supply string 10a . 10b can be set in each case in stages, the number of stages with the number of energy storage modules 3 scaled. For a number of n first and second energy storage modules 3 can the total output voltage of the

Energieversorgungsstrangs 10a, 10b in 2n + 1 Stufen zwischen –n·UM, ..., 0, ..., + n·UM eingestellt werden.Power supply line 10a . 10b be set in 2n + 1 stages between -n * U M , ..., 0, ..., + n · U M.

Der Modulzwischenkreis 19 kann beispielsweise durch einen Kondensator gebildet werden. Es kann jedoch auch möglich sein, dass der Modulzwischenkreis 19 durch eine geeignete Batterie realisiert ist. Die Koppeleinrichtung 7 ist damit niederinduktiv an den Modulzwischenkreise 19 angeschlossen.The module DC link 19 can be formed for example by a capacitor. However, it may also be possible that the module DC link 19 is realized by a suitable battery. The coupling device 7 is thus low-inductance at the module intermediate circuits 19 connected.

Die Synchronwandlerschaltung 13 umfasst einen Versorgungsschalter 18a, welcher zwischen eine Modulspeicherinduktivität 14 und einem ersten Eingangsanschluss des Modulzwischenkreises 19 gekoppelt ist, und einen Rückflussschalter 18b, welcher parallel zu dem Modulzwischenkreis 19 einen Knoten zwischen dem Versorgungsschalter 18a und der Modulspeicherinduktivität 14 mit einem zweiten Eingangsanschluss des Modulzwischenkreises 19 koppelt.The synchronous converter circuit 13 includes a power switch 18a which is between a module memory inductance 14 and a first input terminal of the module intermediate circuit 19 coupled, and a return flow switch 18b which is parallel to the module intermediate circuit 19 a node between the supply switch 18a and the module storage inductance 14 with a second input terminal of the module intermediate circuit 19 coupled.

Die Versorgungsschalter 18a und die Rückflussschalter 18b können jeweils einen Leistungstransistorschalter 16a bzw. 16b sowie eine parallel zu dem Leistungstransistorschalter geschaltete Freilaufdiode 17a bzw. 17b aufweisen. Die Versorgungsschalter 18a und die Rückflussschalter 18b können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) oder andere geeignete Transistortypen aufweisen.The supply switches 18a and the return flow switches 18b can each have a power transistor switch 16a respectively. 16b and a freewheeling diode connected in parallel with the power transistor switch 17a respectively. 17b exhibit. The supply switches 18a and the return flow switches 18b For example, they may include field effect transistors (FETs), insulated gate bipolar transistors (IGBTs), or other suitable transistor types.

Durch die Kopplung mit den Versorgungsschaltern 18a und den Rückflussschaltern 18b kann die Modulspeicherinduktivität 14 als Speicherdrossel der Synchronwandlerschaltung 13 genutzt werden, das heißt, die Versorgungsschalter 18a und die Rückflussschalter 18b wirken mit der Modulspeicherinduktivität 14 jeweils als Synchronwandler zusammen. Dies ermöglicht es, die Ausgangsspannung des Energiespeicherzellenmoduls 5 in geeigneter Weise hochzusetzen und das Energiespeicherzellenmodul 5 als variable Stromquelle zu betreiben. Die Modulspeicherinduktivität 14 kann beispielsweise durch die parasitären bzw. speicherzelleninternen Induktivitäten gebildet werden, die sich aus der Geometrie der Komponenten, der Verdrahtung, den elektrischen Zuleitungen und anderen Faktoren ergeben. Durch die Einbindung dieser parasitären Induktivitäten in die Synchronwandlerschaltung 13 können sprungartige Stromänderungen, die zu unerwünschten Spannungsspitzen oder Schaltverlusten führen können, vermieden oder zumindest reduziert werden.By coupling with the supply switches 18a and the return switches 18b can the module memory inductance 14 as storage choke of the synchronous converter circuit 13 be used, that is, the power switch 18a and the return flow switches 18b act with the module memory inductance 14 each as synchronous converter together. This allows the output voltage of the energy storage cell module 5 appropriately and the energy storage cell module 5 to operate as a variable power source. The module storage inductance 14 may be formed, for example, by the parasitic or internal memory cell inductances resulting from the geometry of the components, the wiring, the electrical leads, and other factors. By incorporating these parasitic inductances in the synchronous converter circuit 13 can be sudden changes in current, which can lead to unwanted voltage spikes or switching losses, avoided or at least reduced.

Ist der Versorgungsschalter 18a geschlossen, wird Energie in der Modulspeicherinduktivität 14 zwischengespeichert. Wird anschließend der Versorgungsschalter 18a geöffnet und der Rückflussschalter 18b geschlossen, treibt die Modulspeicherinduktivität 14 den Strom weiter in den Modulzwischenkreis 19. Der Stromverlauf durch das Energiespeicherzellenmodul 5 und die Modulspeicherinduktivität 14 entspricht im nicht-lückenden Betrieb („continuous current mode“, CCM) einen Gleichstrom mit überlagertem Wechselstromanteil, dessen Frequenz mit der Ansteuerfrequenz der Synchronwandlerschaltung skaliert. Zur Anpassung dieses Stromverlaufs kann beispielsweise eine weitere Induktivität mit der Modulspeicherinduktivität 14 in Reihe geschaltet werden.Is the power switch 18a closed, energy in the module storage inductance 14 cached. Then the supply switch 18a opened and the return flow switch 18b closed, drives the module memory inductance 14 the current continues into the module DC link 19 , The current profile through the energy storage cell module 5 and the module storage inductance 14 In continuous-current mode (CCM), it corresponds to a DC current with superimposed AC component whose frequency scales with the drive frequency of the synchronous converter circuit. To adapt this current profile, for example, a further inductance with the module storage inductance 14 be connected in series.

3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in 3 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 7 zwei statt vier Koppelelemente aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind. 3 shows a further exemplary embodiment of an energy storage module 3 , This in 3 shown energy storage module 3 is different from the one in 2 shown energy storage module 3 only in that the coupling device 7 having two instead of four coupling elements, which are connected in half-bridge circuit instead of full-bridge circuit.

In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.In the illustrated embodiments, the active switching elements as a power semiconductor switch, for example in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (junction field-effect transistors) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) be executed.

Mit den Koppelelementen 7a, 7b, 7c, 7d kann die Ausgangsspannung jedes der Energieversorgungsstränge 10a, 10b über eine geeignete Ansteuerung in Stufen von einem negativen Maximalwert bis hin zu einem positiven Maximalwert variiert werden. Die Abstufung der Spannungsstufen ergibt sich hierbei in Abhängigkeit von der Stufung der einzelnen Modulzwischenkreise 19. Um beispielsweise einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung der Modulzwischenkreise 19 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5k im Zusammenspiel mit der Synchronwandlerschaltung 19 bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung, wie die Steuereinrichtung 11 in 1, vornehmen, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann.With the coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d can be the output voltage of each of the power supply strings 10a . 10b be varied over a suitable control in stages from a negative maximum value to a positive maximum value. The gradation of the voltage levels results here depending on the grading of the individual module intermediate circuits 19 , For example, a mean voltage value between two by the gradation of the module intermediate circuits 19 To obtain predetermined voltage levels, the coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d an energy storage module 3 be controlled clocked, For example, in a pulse width modulation (PWM), so that the relevant energy storage module 3 delivers a module voltage on average over time, which has a value between zero and that through the energy storage cells 5a to 5k in interaction with the synchronous converter circuit 19 certain maximum module voltage can have. The control of the coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d can, for example, a control device, such as the control device 11 in 1 , Which is designed to perform, for example, a current control with a lower voltage control, so that a gradual connection or disconnection of individual energy storage modules 3 can be done.

Das System 100 umfasst neben der Energiespeichereinrichtung 1 mit den Energieversorgungssträngen 10a, 10b weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis 9, einen Inverter 4 sowie eine elektrische Maschine 6. Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz verwendet wird. Alternativ kann die elektrische Maschine 6 auch eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) sein. Es kann dabei auch möglich sein, die Energiespeichereinrichtung 1 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken, Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Systems 100 in 1 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.The system 100 includes in addition to the energy storage device 1 with the power supply lines 10a . 10b furthermore a DC voltage intermediate circuit 9 , an inverter 4 as well as an electric machine 6 , The system is exemplary 100 in 1 for feeding a three-phase electric machine 6 , However, it can also be provided that the energy storage device 1 is used to generate electricity for a power grid. Alternatively, the electric machine 6 also a synchronous or asynchronous machine, a reluctance machine or a brushless DC motor (BLDC). It may also be possible, the energy storage device 1 Use in stationary systems, for example in power plants, in electrical energy production systems such as wind turbines, photovoltaic systems or cogeneration plants, in energy storage systems such as compressed air storage plants, battery storage power plants, flywheel storage, pumped storage or similar systems. Another application of the system 100 in 1 are passenger or goods transport vehicles, which are designed for locomotion on or under the water, for example, ships, motor boats or the like.

Der Gleichspannungszwischenkreis 9 speist in der beispielhaften Ausführungsform in 1 einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 9 eine dreiphasige Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt. Es kann jedoch auch jeder andere Wandlertyp für den Inverter 4 verwendet werden, je nach erforderlicher Spannungsversorgung für die elektrische Maschine 6, zum Beispiel einen Gleichspannungswandler. Der Inverter 4 kann beispielsweise in raumzeigermodulierter Pulsbreitenmodulation (SVPWM, „space vector pulse width modulation“) betrieben werden.The DC voltage intermediate circuit 9 in the exemplary embodiment in FIG 1 a pulse inverter 4 , which from the DC voltage of the DC intermediate circuit 9 a three-phase AC voltage for the electric machine 6 provides. However, it can also be any other converter type for the inverter 4 be used, depending on the required power supply for the electric machine 6 , for example, a DC-DC converter. The inverter 4 can for example be operated in space vector modulated pulse width modulation (SVPWM).

Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 11 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen für den zwischen die Ausgangsanschlüsse gekoppelten Gleichspannungszwischenkreis 9 bereitzustellen. Zudem kann die Steuereinrichtung 11 dazu ausgelegt sein, bei einem Laden der Energiespeicherzellen 5 der Energiespeichereinrichtung 1 die jeweiligen Koppelelemente bzw. aktiven Schaltelemente der Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungsstränge 10a, 10b anzusteuern.The system 100 can continue a control device 11 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 total output voltage of the energy storage device 1 at the respective output terminals for the DC intermediate circuit coupled between the output terminals 9 provide. In addition, the control device 11 be designed to charge the energy storage cells 5 the energy storage device 1 the respective coupling elements or active switching elements of the energy storage modules 3 the power supply lines 10a . 10b head for.

Durch eine geeignete Ansteuerung der Strangkoppeleinrichtung 8 kann die Energiespeichereinrichtung 1 beispielsweise im nicht-lückenden Ansteuerbetrieb (CCM, „continuous current mode“) betrieben werden, so dass der Ausgangsstrom eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b jeweils ein Gleichstrom mit überlagertem Hochfrequenzanteil ist. Die Amplitude des Hochfrequenzanteils bestimmt dabei die Stromschwankungen jedes einzelnen Energieversorgungsstrangs 10a, 10b. Die am Gleichspannungszwischenkreis 9 anliegende Spannung kann durch einen phasenversetzten Ansteuerbetrieb jedes der Energieversorgungsstränge 10a, 10b eingestellt werden. Durch eine geeignete Wahl der Phasenverschiebung in der Ansteuerung der einzelnen Energieversorgungsstränge 10a, 10b können die hochfrequenten Stromschwankungen des Gesamtausgangsstroms teilweise zur destruktiven Interferenz gebracht und dadurch minimiert werden. Dies senkt die Anforderungen an die Auslegung des Kondensators für den Gleichspannungszwischenkreis 9.By a suitable control of the strand coupling device 8th can the energy storage device 1 For example, in non-latching drive mode (CCM, "continuous current mode") are operated, so that the output current of a power supply line 10a . 10b each is a DC with superimposed high frequency component. The amplitude of the high-frequency component determines the current fluctuations of each individual power supply line 10a . 10b , The at the DC voltage intermediate circuit 9 applied voltage can be achieved by a phase-shifted driving operation of each of the power supply lines 10a . 10b be set. By a suitable choice of the phase shift in the control of the individual power supply lines 10a . 10b For example, the high-frequency current fluctuations of the total output current can be partially caused to destructive interference and thereby minimized. This lowers the requirements for the design of the capacitor for the DC link 9 ,

Die maximal speicherbare Energie kann bei der Energiespeichereinrichtung 1 durch die Parallelschaltung von Energieversorgungssträngen 10a, 10b erreicht werden, ohne dass daraus resultierend die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 mit entsprechenden Konsequenzen für die Auslegung der nachfolgenden Komponenten wie beispielsweise Gleichspannungszwischenkreiskondensator 9, Inverter 4 oder elektrische Maschine 6 steigt.The maximum storable energy can in the energy storage device 1 by the parallel connection of power supply lines 10a . 10b be achieved without resulting in the total output voltage of the energy storage device 1 with corresponding consequences for the design of the following components such as DC link capacitor 9 , Inverter 4 or electric machine 6 increases.

4 zeigt ein System 200 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 200 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen 11a, 11b, 11c mit parallel geschalteten Energieversorgungssträngen 10a, 10b in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 4 drei Energieversorgungszweige 11a, 11b, 11c gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss 12a, 12b, 12c, welche jeweils an Phasenleitungen 6a, 6b bzw. 6c angeschlossen sind, die die Energiespeichereinrichtung 1 mit einer elektrischen Maschine 6 koppeln. Beispielhaft dient das System 200 in 4 zur Speisung einer elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz verwendet wird. Es kann dabei auch möglich sein, die Energiespeichereinrichtung 1 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken, Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Systems 200 in 4 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen. 4 shows a system 200 for voltage conversion by energy storage modules 3 provided DC voltage in an n-phase AC voltage. The system 200 includes an energy storage device 1 with energy storage modules 3 which are in energy supply branches 11a . 11b . 11c with parallel-connected power supply lines 10a . 10b are connected in series. Exemplary are in 4 three energy supply branches 11a . 11b . 11c shown, which are suitable for generating a three-phase AC voltage, for example for a three-phase machine. However, it is clear that any other number of power supply branches may be possible as well. The energy storage device 1 has an output connection at each power supply branch 12a . 12b . 12c , which in each case to phase lines 6a . 6b respectively. 6c connected to the energy storage device 1 with an electric machine 6 couple. The system is exemplary 200 in 4 for feeding an electric machine 6 , However, it can also be provided that the energy storage device 1 is used to generate electricity for a power grid. It may also be possible, the energy storage device 1 Use in stationary systems, for example in power plants, in electrical energy production systems such as wind turbines, photovoltaic systems or cogeneration plants, in energy storage systems such as compressed air storage plants, battery storage power plants, flywheel storage, pumped storage or similar systems. Another application of the system 200 in 4 are passenger or goods transport vehicles, which are designed for locomotion on or under the water, for example, ships, motor boats or the like.

Die Energieversorgungszweige 11a, 11b, 11c können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential verbunden werden. Diese kann in Bezug auf die Phasenleitungen 6a, 6b, 6c der elektrischen Maschine 6 ein mittleres Potential führen und beispielsweise mit einem Massepotential verbunden werden. Jeder der Energieversorgungszweige 11a, 11b, 11c weist mindestens zwei parallel geschaltete Energieversorgungsstränge 10a, 10b auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energieversorgungsstränge 10a, 10b pro Energieversorgungszweig in 4 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energieversorgungssträngen 10a, 10b ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige 11a, 11b, 11c die gleiche Anzahl an Energieversorgungssträngen 10a, 10b, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig 11a, 11b, 11c eine unterschiedliche Anzahl an Energieversorgungssträngen 10a, 10b vorzusehen. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b jedes Energieversorgungszweigs 11a, 11b, 11c können über Speicherinduktivitäten 2a, 2b an die jeweiligen Ausgangsanschlüsse 12a, 12b, 12c angekoppelt sein. Insbesondere kann es auch möglich sein, in jedem der Energieversorgungszweige 11a, 11b, 11c nur einen Energieversorgungsstrang 10a vorzusehen. In diesem Fall kann auf die Speicherinduktivitäten 2a, 2b auch verzichtet werden.The energy supply branches 11a . 11b . 11c can be connected at their end to a reference potential. This may be in relation to the phase lines 6a . 6b . 6c the electric machine 6 lead an average potential and connected, for example, with a ground potential. Each of the power supply branches 11a . 11b . 11c has at least two power supply lines connected in parallel 10a . 10b on. By way of example, the number of power supply lines 10a . 10b per energy supply branch in 4 two, but with any other number of power supply lines 10a . 10b is also possible. In this case, each of the energy supply branches preferably comprises 11a . 11b . 11c the same number of power supply lines 10a . 10b However, it is also possible for each power supply branch 11a . 11b . 11c a different number of power supply lines 10a . 10b provided. The power supply lines 10a . 10b each power supply branch 11a . 11b . 11c can have storage inductances 2a . 2 B to the respective output terminals 12a . 12b . 12c be coupled. In particular, it may also be possible in each of the power supply branches 11a . 11b . 11c only one power supply line 10a provided. In this case, the memory inductances 2a . 2 B also be waived.

Die Energiespeichermodule 3 der Energiespeichereinrichtung 1 des Systems 200 in 4 können insbesondere gemäß einer der Ausführungsbeispiele der 2 und 3 ausgestaltet sein, so dass die Energieversorgungszweige 11a, 11b, 11c modular aus als variable Stromquellen agierenden Energiespeichermodulen 3 ausgestaltet werden können.The energy storage modules 3 the energy storage device 1 of the system 200 in 4 can in particular according to one of the embodiments of the 2 and 3 be designed so that the power supply branches 11a . 11b . 11c modular from acting as a variable current sources energy storage modules 3 can be configured.

5 zeigt eine weitere beispielhafte Aufbauform der Energiespeichermodule 3 in größerem Detail. Gegenüber der Aufbauform in 3 unterscheidet sich die Aufbauform der 5 darin, dass mehrere Energiespeicherzellenmodule 5 mit Energiespeicherzellen 5a bis 5k über eine jeweils den Energiespeicherzellenmodulen 5 zugeordnete Synchronwandlerschaltung 13a, 13b, 13c an den Modulzwischenkreis 19 angebunden sind. Mit anderen Worten, die am Modulzwischenkreis 19 anliegende Spannung kann durch den Tastgrad der einzelnen Phasen der Synchronwandlerschaltungen 13a, 13b, 13c unabhängig vom Ladezustand und der Belastung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k geregelt werden. Durch eine geeignete Wahl der Phasenverschiebung können die Stromschwankungen am Modulzwischenkreis 19 bereits modulintern geglättet werden. Dies verringert in vorteilhafter Weise die Anforderungen an den Modulzwischenkreis 19 und damit auch die Stromschwankungen des Ausgangsstroms des einzelnen Energiespeichermoduls 3. Die Anzahl der parallelisierten Energiespeicherzellenmodule 5 beträgt in 5 beispielhaft drei, wobei jedoch jede andere Anzahl parallelisierter Energiespeicherzellenmodule 5 ebenso möglich sein kann. 5 shows a further exemplary structure of the energy storage modules 3 in greater detail. Compared to the design in 3 differs the design of the 5 in that several energy storage cell modules 5 with energy storage cells 5a to 5k via a respective one of the energy storage cell modules 5 associated synchronous converter circuit 13 . 13b . 13c to the module intermediate circuit 19 are connected. In other words, those at the module DC link 19 applied voltage can by the duty cycle of the individual phases of the synchronous converter circuits 13 . 13b . 13c regardless of the state of charge and the load on the energy storage cells 5a to 5k be managed. By a suitable choice of the phase shift, the current fluctuations at the module intermediate circuit 19 already be smoothed inside the module. This advantageously reduces the requirements for the module intermediate circuit 19 and thus also the current fluctuations of the output current of the individual energy storage module 3 , The number of parallelized energy storage cell modules 5 is in 5 by way of example three, but with any other number of parallelized energy storage cell modules 5 may be possible as well.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 30 zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 1, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 5 erläutert. Mit dem Verfahren 30 kann in einer Variante ein Gleichspannungszwischenkreis 9 mit einer Versorgungsspannung gespeist werden, welche zur Speisung eines Wechselrichters 4 für eine elektrische Maschine 6 dienen kann. Alternativ kann das Verfahren 30 dazu dienen, eine mehrphasige Versorgungsspannung bereitzustellen, die jeweils direkt in Phasenanschlüsse einer mehrphasigen elektrischen Maschine 6 eingespeist werden kann. 6 shows a schematic representation of an exemplary method 30 for operating an energy storage device, in particular an energy storage device 1 , as related to the 1 to 5 explained. With the procedure 30 In one variant, a DC voltage intermediate circuit 9 be supplied with a supply voltage which is used to power an inverter 4 for an electric machine 6 can serve. Alternatively, the method 30 serve to provide a multi-phase supply voltage, each directly in phase terminals of a multi-phase electric machine 6 can be fed.

In einem ersten Schritt 31 erfolgt ein Ansteuern der Synchronwandlerschaltungen 13 einer Anzahl von Energiespeichermodulen 3 des Energieversorgungsstrangs zum Speisen des jeweiligen Modulzwischenkreises 19 aus den jeweiligen Energiespeicherzellenmodulen 5. Parallel dazu kann in einem zweiten Schritt 32 ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 der Anzahl von Energiespeichermodulen 3 des Energieversorgungsstrangs zum Koppeln der jeweiligen Modulzwischenkreise 19 in den Energieversorgungsstrang erfolgen. Die Auswahl der ersten und zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf der elektrischen Maschine 6 oder von der aktuellen Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises 9 erfolgen. Weiterhin kann über den Tastgrad der Koppeleinrichtungen 7 der Energiespeichermodule 3 die Belastung der einzelnen Energieversorgungsstränge 10a, 10b angepasst werden. Durch den Tastgrad der Synchronwandlerschaltungen 13 kann der Ausgangsstrom aus den Energiespeicherzellenmodulen 5 in die Modulzwischenkreise 19 geregelt werden, so dass die Modulzwischenkreise 19 auf eine schwankungsarme Zwischenspannung geregelt werden.In a first step 31 there is a drive of the synchronous converter circuits 13 a number of energy storage modules 3 of the power supply line for feeding the respective module intermediate circuit 19 from the respective energy storage cell modules 5 , In parallel, in a second step 32 a driving of the coupling devices 7 the number of energy storage modules 3 of the power supply line for coupling the respective module intermediate circuits 19 take place in the power supply line. The selection of the first and second number of energy storage modules 3 can, for example, depending on the power requirements of the electric machine 6 or from the current intermediate circuit voltage of the DC intermediate circuit 9 respectively. Furthermore, can over the duty cycle of the coupling devices 7 the energy storage modules 3 the load on the individual power supply lines 10a . 10b be adjusted. By the duty cycle of the synchronous converter circuits 13 can the output current from the energy storage cell modules 5 into the module intermediate circuits 19 be regulated so that the modulo intermediate circuits 19 be regulated to a low-fluctuation intermediate voltage.

Dadurch kann in einem dritten Schritt 33 ein Bereitstellen einer Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung 1 durch die angesteuerten Modulzwischenkreise 19 in den Energieversorgungsstrang erfolgen. Der Ausgangsstrom, der an dem ersten Ausgangsanschluss 1a der Energiespeichereinrichtung 1 ausgegeben wird, ist dabei durch die Summe der Ausgangsströme der einzelnen Energieversorgungsstränge 10a, 10b vorgegeben. Gegebenenfalls können durch die ersten und zweiten Speicherinduktivitäten 2a, 2b bzw. deren elektrische Eigenschaften diese Ausgangsströme begrenzt werden.This can be done in a third step 33 providing an output voltage at the output terminals of the energy storage device 1 through the controlled module intermediate circuits 19 take place in the power supply line. The output current flowing at the first output terminal 1a the energy storage device 1 is output, is thereby by the sum of the output currents of the individual power supply lines 10a . 10b specified. Optionally, through the first and second storage inductances 2a . 2 B or whose electrical properties these output currents are limited.

Durch dieses Verfahren 30 kann eine Auslegung einer mit der Energiespeichereinrichtung 1 versorgten elektrischen Maschine 6 auf die durch die Ansteuerung der Energieversorgungsstränge 10a, 10b geregelte Zwischenkreisspannung eines Gleichspannungszwischenkreises 9 erfolgen. Weitere optionale Komponenten, wie beispielsweise ein Gleichspannungswandler zur Versorgung eines Niedervoltnetzes, zum Beispiel eines 14-Volt-Bordnetzes, können ebenfalls günstig ausgelegt werden, da die große Spannungsspreizung bei der geregelten Zwischenkreisspannung entfällt.By this procedure 30 may be a design of one with the energy storage device 1 supplied electric machine 6 on by the control of the power supply lines 10a . 10b regulated intermediate circuit voltage of a DC intermediate circuit 9 respectively. Other optional components, such as a DC-DC converter for supplying a low-voltage network, for example, a 14-volt electrical system, can also be designed low, since the large voltage difference in the regulated DC link voltage is eliminated.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens 30 ist die Möglichkeit zur Anpassung der Versorgungsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 auf die Drehzahl der elektrischen Maschine 6. Bei permanenterregten Maschinen ist die Polradspannung der Maschine 6 proportional zur Drehzahl. Daher wird bei geringen Drehzahlen nur eine geringe Phasenspannung benötigt. Der Phasenstrom wird maßgeblich durch das darzustellende Moment bestimmt. Durch die durchstimmbare Versorgungsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 kann die Versorgungsspannung des Inverters 4 an die Polradspannung der elektrischen Maschine 6 angepasst werden. Besonders bei geringen Drehzahlen und hohem Moment können die Verluste in der Energiespeichereinrichtung 1 erheblich reduziert werden, da eine Parallelschaltung der Energieversorgungsstränge eine geringe Ausgangsspannung bei gleichzeitig hohem Ausgangsstrom ermöglicht.Another advantage of the process 30 is the possibility to adapt the supply voltage of the energy storage device 1 on the speed of the electric machine 6 , In permanent-magnet machines, the rotor clamping voltage is the machine 6 proportional to the speed. Therefore, only a small phase voltage is needed at low speeds. The phase current is largely determined by the torque to be displayed. Due to the tunable supply voltage of the energy storage device 1 can be the supply voltage of the inverter 4 to the pole wheel voltage of the electric machine 6 be adjusted. Especially at low speeds and high moment, the losses in the energy storage device 1 can be significantly reduced because a parallel connection of the power supply lines allows a low output voltage with a high output current.

Die oben dargestellten Systeme 100 bzw. 200 eignen sich auch für einen Rückspeisebetrieb, beispielsweise zum Aufladen bzw. Umladen der Energiespeicherzellenmodule 5. Dabei wird die jeweils in den Energiespeichermodulen 3 vorhandene Modulspeicherinduktivität 14 als stromglättende Drossel verwendet, die einen gleichbleibenden Ladestrom in die Energiespeichermodule ermöglicht. In einem Rückspeisebetrieb des Systems 100 in 1 beispielsweise können die durch die Modulspeicherinduktivität 14, den Verbindungsschalter 18a und den Rückflussschalter 18b gebildeten Synchronwandlerschaltungen 13 der jeweiligen Energiespeichermodule 3 als Tiefsetzsteller in Rückwärtsrichtung betrieben werden. Dabei wird der Strom über den Tastgrad der Verbindungsschalter 18a bestimmt und die Modulspeicherinduktivität 14 dient zur Glättung des Stroms.The systems presented above 100 respectively. 200 are also suitable for a regenerative operation, for example, for charging or recharging the energy storage cell modules 5 , In each case, the energy storage modules in the 3 existing module storage inductance 14 used as a current-smoothing inductor, which allows a constant charging current in the energy storage modules. In a regenerative operation of the system 100 in 1 for example, those due to the module memory inductance 14 , the connection switch 18a and the return flow switch 18b formed synchronous converter circuits 13 the respective energy storage modules 3 operated as a buck converter in the reverse direction. The current over the duty cycle of the connection switch 18a determined and the module memory inductance 14 serves to smooth the current.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 5642275 A1 [0006] US 5642275 A1 [0006]
  • DE 102010027857 A1 [0007] DE 102010027857 A1 [0007]
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Claims (9)

Energiespeichereinrichtung (1) zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine (6), mit: mindestens einem Energieversorgungsstrang (10a; 10b), welcher zwischen zwei Ausgangsanschlüsse (1a; 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, wobei der Energieversorgungsstrang (10a; 10b) aufweist: ein oder mehrere in dem Energieversorgungsstrang (10a; 10b) in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (3), welche jeweils aufweisen: ein Energiespeicherzellenmodul (5) mit mindestens einer Energiespeicherzelle (5a, 5k); eine Synchronwandlerschaltung (13), welche mit dem Energiespeicherzellenmodul (5) gekoppelt ist und welche einen Versorgungsschalter (18a), einen Rückflussschalter (18b) und eine Modulspeicherinduktivität (14) aufweist; einen Modulzwischenkreis (19), welcher mit der Synchronwandlerschaltung (13) gekoppelt ist; und eine Koppeleinrichtung (7) mit einer Vielzahl von Koppelelementen (7a, 7b, 7c, 7d), welche dazu ausgelegt ist, den Modulzwischenkreis (19) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang (10a; 10b) zu schalten oder zu überbrücken.Energy storage device ( 1 ) for generating a supply voltage for an electric machine ( 6 ), comprising: at least one power supply string ( 10a ; 10b ), which between two output terminals ( 1a ; 1b ) of the energy storage device ( 1 ), wherein the power supply string ( 10a ; 10b ): one or more in the power supply string ( 10a ; 10b ) energy storage modules connected in series ( 3 ), each comprising: an energy storage cell module ( 5 ) with at least one energy storage cell ( 5a . 5k ); a synchronous converter circuit ( 13 ), which with the energy storage cell module ( 5 ) and which a power switch ( 18a ), a return flow switch ( 18b ) and a module storage inductance ( 14 ) having; a module intermediate circuit ( 19 ), which with the synchronous converter circuit ( 13 ) is coupled; and a coupling device ( 7 ) with a plurality of coupling elements ( 7a . 7b . 7c . 7d ), which is adapted to the module intermediate circuit ( 19 ) selectively into the respective power supply line ( 10a ; 10b ) to switch or bridge. Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinrichtungen (7) jeweils eine Vielzahl von Koppelelementen (7a, 7b, 7c, 7d) in Vollbrückenschaltung aufweisen.Energy storage device ( 1 ) according to claim 1, wherein the coupling devices ( 7 ) each have a plurality of coupling elements ( 7a . 7b . 7c . 7d ) in full bridge circuit. Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinrichtungen (7) jeweils eine Vielzahl von Koppelelementen (7a, 7c) in Halbbrückenschaltung aufweisen.Energy storage device ( 1 ) according to claim 1, wherein the coupling devices ( 7 ) each have a plurality of coupling elements ( 7a . 7c ) in half-bridge circuit. Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) eine Lithium-Ionen-Akkumulator aufweist.Energy storage device ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the at least one energy storage cell ( 5a . 5k ) has a lithium-ion battery. System (100; 200), mit: einer Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und einer Steuereinrichtung (11), welche mit der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen (7) und die Synchronwandlerschaltungen (13) der Energiespeichermodule (3) zum Einstellen einer Versorgungsspannung an den Ausgangsanschlüssen (1a; 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) anzusteuern.System ( 100 ; 200 ), comprising: an energy storage device ( 1 ) according to any one of claims 1 to 4; and a control device ( 11 ) associated with the energy storage device ( 1 ) and which is adapted to connect the coupling devices ( 7 ) and the synchronous converter circuits ( 13 ) of the energy storage modules ( 3 ) for adjusting a supply voltage at the output terminals ( 1a ; 1b ) of the energy storage device ( 1 ) head for. System (100) nach Anspruch 5, weiterhin mit: einem Gleichspannungszwischenkreis (9), welcher mit dem ersten Ausgangsanschluss (1a) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist.System ( 100 ) according to claim 5, further comprising: a DC voltage intermediate circuit ( 9 ), which is connected to the first output terminal ( 1a ) of the energy storage device ( 1 ) is coupled. System (100) nach Anspruch 6, weiterhin mit: einem Inverter (4), welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis (9) gekoppelt ist; und einer elektrischen Maschine (6), welche mit dem Inverter (4) gekoppelt ist, wobei der Inverter (4) dazu ausgelegt ist, die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises (9) in eine Eingangsspannung für die elektrische Maschine (6) zu wandeln.System ( 100 ) according to claim 6, further comprising: an inverter ( 4 ), which with the DC voltage intermediate circuit ( 9 ) is coupled; and an electric machine ( 6 ), which with the inverter ( 4 ), wherein the inverter ( 4 ) is adapted to the voltage of the DC intermediate circuit ( 9 ) in an input voltage for the electric machine ( 6 ) to transform. System (200) nach Anspruch 5, weiterhin mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (6), mit n > 1, deren Phasenanschlüsse (6a, 6b, 6c) jeweils mit einem der Vielzahl von ersten Ausgangsanschlüssen (12a, 12b, 12c) gekoppelt sind, wobei die Energiespeichereinrichtung (1) in mindestens n Energieversorgungszweigen (11a; 11b; 11c) angeordnete Energieversorgungsstränge (10a; 10b) aufweist und dazu ausgelegt ist, eine n-phasige Versorgungsspannung für die elektrische Maschine (6) bereitzustellen.System ( 200 ) according to claim 5, further comprising: an n-phase electric machine ( 6 ), where n> 1, whose phase connections ( 6a . 6b . 6c ) each with one of the plurality of first output terminals ( 12a . 12b . 12c ), wherein the energy storage device ( 1 ) in at least n energy supply branches ( 11a ; 11b ; 11c ) arranged energy supply strands ( 10a ; 10b ) and is adapted to an n-phase supply voltage for the electric machine ( 6 ). Verfahren (30) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung in einer Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den Schritten: Ansteuern (31) der Synchronwandlerschaltungen (13) einer Anzahl von Energiespeichermodulen (3) des Energieversorgungsstrangs (10a; 10b) zum Speisen des jeweiligen Modulzwischenkreises (19) aus den jeweiligen Energiespeicherzellenmodulen (5); Ansteuern (32) der Koppeleinrichtungen (7) der Anzahl von Energiespeichermodulen (3) des Energieversorgungsstrangs (10a; 10b) zum Koppeln der jeweiligen Modulzwischenkreise (19) in den Energieversorgungsstrang (10a; 10b); und Bereitstellen (33) einer Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung (1) durch die angesteuerten Modulzwischenkreise (19) in den Energieversorgungsstrang (10a, 10b).Procedure ( 30 ) for providing a supply voltage in an energy storage device ( 1 ) according to any one of claims 1 to 4, comprising the steps of: driving ( 31 ) of the synchronous converter circuits ( 13 ) a number of energy storage modules ( 3 ) of the power supply string ( 10a ; 10b ) for feeding the respective module intermediate circuit ( 19 ) from the respective energy storage cell modules ( 5 ); Drive ( 32 ) of the coupling devices ( 7 ) the number of energy storage modules ( 3 ) of the power supply string ( 10a ; 10b ) for coupling the respective module intermediate circuits ( 19 ) in the power supply line ( 10a ; 10b ); and deploy ( 33 ) of an output voltage at the output terminals of the energy storage device ( 1 ) by the controlled module intermediate circuits ( 19 ) in the power supply line ( 10a . 10b ).
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