DE102013209066A1 - Energy storage device and method for operating an energy storage device - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Energiespeichervorrichtung mit einer Serienschaltung mehrerer Energiespeicherzellen. Das erfindungsgemäße Schaltungskonzept ermöglicht dabei einen effizienten und schonenden Betrieb der Energiespeichervorrichtung.The present invention provides an energy storage device with a series connection of a plurality of energy storage cells. The circuit concept according to the invention enables efficient and gentle operation of the energy storage device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung.The invention relates to an energy storage device and a method for operating an energy storage device.

Stand der TechnikState of the art

Elektrofahrzeuge besitzen eine Hochvolt-Batterie, deren Energie über eine geeignete Wechselrichterschaltung dem elektrischen Antrieb des Fahrzeugs zugeführt wird. Dabei hat sich insbesondere im Automobilbereich die B6-Brücke für den Wechselrichterbetrieb bewährt. Eine B6-Brücke richtet die Gleichspannung der Hochspannungs-Batterie in eine dreiphasige Wechselspannung um. Dabei wird durch hochfrequentes Ansteuern der Schaltelemente innerhalb der B6-Brücke die volle Ausgangsspannung der Hochspannungs-Batterie mittels Zerhacken in die gewünschte Spannung für den elektrischen Antrieb umgerichtet. Die Frequenz für das Ansteuern der B6-Brücke liegt dabei üblicherweise im Bereich von etwa 10 kHz.Electric vehicles have a high-voltage battery whose energy is supplied via a suitable inverter circuit to the electric drive of the vehicle. In particular, the B6 bridge has proved its worth for inverter operation, especially in the automotive sector. A B6 bridge converts the DC voltage of the high-voltage battery into a three-phase AC voltage. In this case, the full output voltage of the high-voltage battery is converted by chopping into the desired voltage for the electric drive by high-frequency driving the switching elements within the B6 bridge. The frequency for driving the B6 bridge is usually in the range of about 10 kHz.

Für Energiespeicher mit mehreren in Reihe geschalteten Zellen bzw. Speicherelemente sind darüber hinaus weitere Schaltkonzepte möglich. Beispielsweise offenbart US 2003/214824 A1 eine kaskadierte H-Brücke. For energy storage with multiple cells connected in series or storage elements further switching concepts are also possible. For example disclosed US 2003/214824 A1 a cascaded H-bridge.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Multilevel-Inverters mit einer kaskadierten H-Brücke. Jede der Energiespeicherzellen C101 bis C109 kann dabei über die korrespondierenden Schaltelemente T101 bis T136 mit der gewünschten Polarität in den Strompfad individuell integriert werden. Unabhängig davon, ob eine der Zellen C101 bis C109 in den Strompfad integriert ist oder nicht, müssen jeweils pro Energiespeicherzelle C101 bis C109 zwei Halbleiterschaltelemente in dem entsprechenden Strompfad durchflossen werden. Pro Energiespeicherzelle C101 bis C109 sind dabei jeweils vier Halbleiterschaltelemente T101 bis T136 erforderlich. 6 shows a schematic representation of a multilevel inverter with a cascaded H-bridge. Each of the energy storage cells C101 to C109 can be individually integrated into the current path via the corresponding switching elements T101 to T136 with the desired polarity. Regardless of whether one of the cells C101 to C109 is integrated into the current path or not, each of the energy storage cell C101 to C109 two semiconductor switching elements must be traversed in the corresponding current path. In each case, four semiconductor switching elements T101 to T136 are required per energy storage cell C101 to C109.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem effizienten Schaltkonzept für einen Energiespeicher mit einer reduzierten Anzahl von Schaltelementen. Ferner besteht ein Bedarf nach einem Schaltkonzept für einen Energiespeicher, das eine einfache Ansteuerung der einzelnen Energiespeicherzellen erlaubt.There is therefore a need for an efficient switching concept for an energy store with a reduced number of switching elements. Furthermore, there is a need for a switching concept for an energy store, which allows a simple control of the individual energy storage cells.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichervorrichtung mit einer Mehrzahl in Serie geschalteter Energiespeicherzellen, wobei benachbarte Energiespeicherzellen der Serienschaltung jeweils über einen Knotenpunkt verbunden sind und wobei zwischen jedem Knotenpunkt und einem ersten Anschlusspunkt der Energiespeichervorrichtung ein Schaltungsmodul angeordnet ist, und zwischen jedem Knotenpunkt und einem zweiten Anschlusspunkt der Energiespeichervorrichtung ein Schaltungsmodul angeordnet ist.The present invention provides, in one aspect, an energy storage device having a plurality of series connected energy storage cells, wherein adjacent energy storage cells of the series circuit are each connected via a node and wherein between each node and a first connection point of the energy storage device, a circuit module is arranged, and between each node and a second connection point of the energy storage device, a circuit module is arranged.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung einer Energiespeichervorrichtung mit den Schritten des Bereitstellens einer Mehrzahl in Serie geschalteter Energiespeicherzellen, wobei benachbarte Energiespeicherzellen der Serienschaltung jeweils über einen Knotenpunkt verbunden sind; des Auswählens in Serie geschalteter Energiespeicherzellen; des Verbindens eines ersten Endanschlusses der ausgewählten Energiespeicherzellen mit einem ersten Anschluss der Energiespeichervorrichtung; und des Verbindens eines zweiten Endanschlusses der ausgewählten Energiespeicherzellen mit einem zweiten Anschluss der Energiespeichervorrichtung.According to another aspect, the present invention provides a method for driving an energy storage device comprising the steps of providing a plurality of series connected energy storage cells, wherein adjacent energy storage cells of the series circuit are each connected via a node; selecting series-connected energy storage cells; connecting a first end terminal of the selected energy storage cells to a first terminal of the energy storage device; and connecting a second end terminal of the selected energy storage cells to a second terminal of the energy storage device.

Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine Serienschaltung einzelner Energiespeicherzellen so mit den Außenanschlüssen der Energiespeichervorrichtung zu verschalten, dass ein beliebiger Teil dieser Serienschaltung von Energiespeicherzellen mit den Außenklemmen der Energiespeichervorrichtung verbunden werden kann. Hierzu werden insbesondere die Knotenpunkte, an denen die einzelnen Energiespeicherzellen jeweils miteinander verbunden sind, über geeignete Schaltungsmodule mit den Anschlussklemmen verbunden.It is an idea of the present invention to interconnect a series connection of individual energy storage cells with the external terminals of the energy storage device in such a way that any part of this series connection of energy storage cells can be connected to the external terminals of the energy storage device. For this purpose, in particular the nodes at which the individual energy storage cells are connected to each other, connected via suitable circuit modules with the terminals.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltungskonzeptes besteht darin, dass somit ein beliebiger Teil der seriell verschalteten Energiespeicherzellen mit den Außenklemmen der Energiespeichervorrichtung verbunden werden kann. Somit ist eine besonders flexible Einstellung der Spannung zwischen den Anschlussklemmen möglich. An advantage of the circuit concept according to the invention is that an arbitrary part of the serially connected energy storage cells can thus be connected to the outer terminals of the energy storage device. Thus, a particularly flexible adjustment of the voltage between the terminals is possible.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen keine weiteren Schaltelemente erforderlich sind, die von dem Strom durchflossen werden müssen. Im Strompfad zwischen erster Anschlussklemme, den ausgewählten Energiespeicherzellen und der zweiten Anschlussklemme befindet sich somit nur an den Endpunkten der ausgewählten Energiespeicherzellen ein Schaltelement, das stromdurchflossen ist. Somit reduzieren sich die auftretenden Verluste innerhalb der Energiespeichervorrichtung. Another advantage is that between the individual energy storage cells, no further switching elements are required, which must be traversed by the stream. In the current path between the first terminal, the selected energy storage cells and the second terminal is thus only at the end points of the selected energy storage cells, a switching element, which is current flowing through. This reduces the losses occurring within the energy storage device.

Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eignet sich dabei zur Kopplung mit einer regenerativen Energiequelle, wie z.B. einem Photovoltaikmodul, und/oder einem lokalen oder zentralen Stromnetz, z.B. Hausanschluss des Energieversorgers. Auch die Kopplung mit einem elektrischen Generator eines gekoppelten Wärme-Kraft-Systems oder einem anderen elektrischen Energieerzeuger ist möglich.The energy storage device according to the invention is suitable for coupling to a regenerative energy source, such as a photovoltaic module, and / or a local or central power grid, eg house connection of the energy supplier. The coupling with an electric generator of a coupled heat-power system or another electric power generator is possible.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die Schaltungsmodule der Energiespeichervorrichtung zwischen den Knotenpunkten und dem ersten oder dem zweiten Anschlusspunkt jeweils antiseriell geschaltete Halbleiterschalter auf. Durch die Verwendung zweier antiseriell miteinander verschalteten Halbleiterschaltern kann unabhängig von der von außen anliegenden Spannung jeweils ein sicheres Sperrverhalten der Schaltungsmodule erreicht werden.According to one embodiment, the circuit modules of the energy storage device between the nodes and the first or the second connection point each have antiseries switched semiconductor switches. By using two semiconductor switches connected antiserially to one another, a secure blocking behavior of the circuit modules can be achieved independently of the voltage applied from the outside.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform werden die antiseriell geschalteten Halbleiterschalter eines Schaltungsmoduls jeweils von einem gemeinsamen Steuersignal angesteuert. Somit kann die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung besonders einfach und effizient gesteuert werden.According to a special embodiment, the anti-serially connected semiconductor switches of a circuit module are each driven by a common control signal. Thus, the energy storage device according to the invention can be controlled particularly easily and efficiently.

In einer alternativen Ausführungsform umfassen die Halbleiterschalter eine Body-Diode wobei in einem Schaltungsmodul jeweils nur der antiserielle Halbleiterschalter angesteuert wird, dessen Body-Diode sich in Sperrrichtung befindet. Somit muss jeweils nur einer der beiden Halbleiterschalter aktiv angesteuert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen einem ersten Endpunkt der Serienschaltung der Energiespeicherzellen und dem ersten und zweiten Anschlusspunkt der Energiespeichervorrichtung jeweils ein Schaltelement, vorzugsweise ein Halbleiterschaltelement, angeordnet; und zwischen einem zweiten Endpunkt der Serienschaltung der Energiespeicherzellen und dem ersten und zweiten Anschlusspunkt der Energiespeichervorrichtung ist jeweils ein Schaltelement, vorzugsweise ein Halbleiterschaltelement angeordnet. Da die Endpunkte der Serienschaltung der Energiespeicherzellen jeweils klar definierte Potentiale besitzen, ist an den Endpunkten keine antiserielle Beschaltung zweier Halbleiterschalter erforderlich. Somit kann an den Endpunkten der Schaltungsaufwand auf einen einzelnen Halbleiterschalter reduziert werden.In an alternative embodiment, the semiconductor switches comprise a body diode, wherein in a circuit module in each case only the antiserial semiconductor switch is driven, whose body diode is in the reverse direction. Thus, only one of the two semiconductor switches must be actively activated in each case. According to a further embodiment, a respective switching element, preferably a semiconductor switching element, is arranged between a first end point of the series connection of the energy storage cells and the first and second connection point of the energy storage device; and between a second end point of the series connection of the energy storage cells and the first and second connection point of the energy storage device, a switching element, preferably a semiconductor switching element is arranged in each case. Since the end points of the series connection of the energy storage cells each have clearly defined potentials, no antiserial connection of two semiconductor switches is required at the end points. Thus, the circuitry can be reduced to a single semiconductor switch at the endpoints.

In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen jedem Knotenpunkt und einem dritten Anschlusspunkt der Energiespeichervorrichtung jeweils ein Schaltungsmodul angeordnet. Hierdurch kann eine besonders effiziente Ansteuerung eines Drehstromsystems durch die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung erreicht werden.In a further embodiment, a respective circuit module is arranged between each node point and a third connection point of the energy storage device. In this way, a particularly efficient control of a three-phase system can be achieved by the energy storage device according to the invention.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung einer Energiespeichervorrichtung wählt der Schritt zum Auswählen der Energiespeicherzellen die Energiespeicherzellen in Abhängigkeit von ihrem realen oder geschätzten Ladezustand aus. Somit kann eine möglichst gleichmäßige Belastung aller Energiespeicherzellen innerhalb der Energiespeichervorrichtung erreicht werden.According to a further embodiment of the method according to the invention for controlling an energy storage device, the step for selecting the energy storage cells selects the energy storage cells as a function of their actual or estimated state of charge. Thus, as uniform as possible a load of all energy storage cells can be achieved within the energy storage device.

In einer weiteren Ausführungsform wählt der Schritt zum Auswählen der Energiespeicherzellen die Energiespeicherzellen in Abhängigkeit von ihrer realen oder geschätzten Betriebstemperatur aus. Auf diese Weise kann eine möglichst gleichmäßige thermische Belastung aller Energiespeicherzellen erreicht werden. Somit ist auch eine gleichmäßige Alterung aller Energiespeicherzellen möglich.In a further embodiment, the step of selecting the energy storage cells selects the energy storage cells as a function of their real or estimated operating temperature. In this way, the most uniform thermal load of all energy storage cells can be achieved. Thus, a uniform aging of all energy storage cells is possible.

Die vorliegende Erfindung umfasst ferner einen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Insbesondere beim Betrieb von Wechselrichtern kann durch das erfindungsgemäße Schaltungskonzept einer Energiespeichervorrichtung besonders effizient die gewünschte Ausgangsspannung bereitgestellt werden.The present invention further includes an inverter having an energy storage device according to the invention. In particular, in the operation of inverters can be provided by the inventive circuit concept of an energy storage device particularly efficient, the desired output voltage.

Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, das einen erfindungsgemäßen Wechselrichter aufweist. Da insbesondere Elektrofahrzeuge Traktions-Batterien mit einer großen Anzahl von einzelnen Energiespeicherzellen aufweisen, kann durch eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eine sehr effiziente Ansteuerung der elektrischen Antriebe erreicht werden.The present invention further comprises a vehicle having an electric drive, which has an inverter according to the invention. Since, in particular, electric vehicles have traction batteries with a large number of individual energy storage cells, a very efficient control of the electric drives can be achieved by an energy storage device according to the invention.

Ferner umfasst die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung einem Wechselrichter, einer Einspeisevorrichtung für ein Energienetz und/oder einem Gleichrichter.Furthermore, the present invention comprises a use of an energy storage device according to the invention an inverter, a feed device for a power grid and / or a rectifier.

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

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1: eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 1 is a schematic representation of an energy storage device according to an embodiment of the invention;

2: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für ein mehrphasiges Drehstromsystem mit einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 2 a schematic representation of a circuit arrangement for a multi-phase three-phase system with an energy storage device according to another embodiment of the invention;

3: eine schematische Darstellung einer alternativen Schaltungsanordnung für ein mehrphasiges Drehstromsystem mit einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 3 a schematic representation of an alternative circuit arrangement for a multi-phase three-phase system with an energy storage device according to another embodiment of the invention;

4: ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die Ausgangsspannung einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 4 : A voltage-time diagram for the output voltage of an energy storage device according to an embodiment of the present invention;

5: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 5 FIG. 1 shows a schematic representation of a method for operating an energy storage device according to an embodiment of the invention, and FIG

6: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen Multilevel-Inverter mit einer kaskadierten H-Brücke. 6 : A schematic representation of a circuit arrangement for a multilevel inverter with a cascaded H-bridge.

Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen von Elementen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.The drawings shown in the figures are partly perspective views of elements that are not necessarily drawn to scale for the sake of clarity. Like reference numerals generally designate like or equivalent components.

Energiespeicherzellen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Arten von Elementen, die in der Lage sind, über einen vordefinierten Zeitraum elektrische Energie zu speichern und über einen weiteren Zeitraum wieder abzugeben. Elektrische Energiespeicherzellen können beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen, Nickel-Metallhydrid-Zellen, Kondensatoren, Akkumulatoren auf Basis von Blei, Zink, Natrium, Lithium, Magnesium, Schwefel oder weiteren Metallen, Elementen oder Legierungen umfassen. Eine Energiespeicherzelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei eine einzelne solche Zelle oder auch eine Kombination aus einer Parallel- und/oder Serienschaltung mehrerer Zellen umfassen.Energy storage cells in the sense of the present invention are all types of elements which are able to store electrical energy for a predefined period of time and to release it again over a further period of time. Electrical energy storage cells may include, for example, lithium ion cells, lithium polymer cells, nickel metal hydride cells, capacitors, lead, zinc, sodium, lithium, magnesium, sulfur or other metals accumulators, elements or alloys. An energy storage cell according to the present invention may comprise a single such cell or a combination of a parallel and / or series connection of a plurality of cells.

Als Schaltelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind zunächst alle Arten von Elementen, die in der Lage sind, durch Anlegen eines elektrischen Signals einen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen. Für die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele kommen hierzu bevorzugt Halbleiterschaltelemente in Frage. Solche Halbleiterschaltelemente erfordern keinerlei bewegliche mechanische Bauteile und ermöglichen somit ein verschleißfreies Schalten. Solche Halbleiterschaltelemente sind zu Beispiel MOSFET, bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder ähnliches. As switching elements in the sense of the present invention, first of all all types of elements which are able to open or close a circuit by applying an electrical signal. For the exemplary embodiments described below, semiconductor switching elements may be used for this purpose. Such semiconductor switching elements require no moving mechanical components and thus enable a wear-free switching. Such semiconductor switching elements are, for example, MOSFETs, insulated gate bipolar transistors (IGBTs), or the like.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds für eine Energiespeichervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Energiespeichervorrichtung umfasst dabei vier Energiespeicherzellen C1–C4. Diese vier Energiespeicherzellen C1–C4 sind dabei als Serienschaltung miteinander verbunden. Das heißt, der negative Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1 ist über einen Knotenpunkt K12 mit dem positiven Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2 verbunden. Der negative Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2 ist über den Knotenpunkt K23 mit dem positiven Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3 verbunden, und der negative Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3 ist über den Knotenpunkt K34 mit dem positiven Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4 verbunden. Der positive Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1 bildet dabei einen ersten Endpunkt K1 der Serienschaltung aus mehreren Energiespeicherzellen, und der negative Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4 bildet dabei den zweiten Endpunkt K4 der Serienschaltung. Die Begrenzung auf vier Energiespeicherzellen C1–C4 dient dabei lediglich der besseren Anschauung. Eine davon abweichende Anzahl von Energiespeicherzellen, also eine Serienschaltung mit weniger oder mehr Energiespeicherzellen ist jedoch ebenso möglich. 1 shows a schematic representation of a circuit diagram for an energy storage device according to an embodiment of the present invention. The energy storage device comprises four energy storage cells C1-C4. These four energy storage cells C1-C4 are connected to each other as a series circuit. That is, the negative terminal of the first energy storage cell C1 is connected via a node K12 to the positive terminal of the second energy storage cell C2. The negative terminal of the second energy storage cell C2 is connected via the node K23 to the positive terminal of the third energy storage cell C3, and the negative terminal of the third energy storage cell C3 is connected via the node K34 to the positive terminal of the fourth energy storage cell C4. The positive terminal of the first energy storage cell C1 forms a first end point K1 of the series circuit of a plurality of energy storage cells, and the negative terminal of the fourth energy storage cell C4 forms the second end point K4 of the series circuit. The limitation to four energy storage cells C1-C4 is merely a better idea. However, a different number of energy storage cells, ie a series connection with fewer or more energy storage cells is also possible.

Die Energiespeichervorrichtung weist darüber hinaus zwei Anschlusspunkte A und B auf, über die die Energiespeichervorrichtung entweder eine Spannung bereitstellen kann, oder über die die Energiespeichervorrichtung alternativ aufgeladen werden kann. Zwischen dem ersten Endpunkt K1 der Serienschaltung der Energiespeicherzellen C1–C4 und dem ersten Anschlusspunkt A der Energiespeichervorrichtung ist ein Halbleiterschalter SH2 angeordnet, und zwischen dem Endpunkt K1 und dem zweiten Anschlusspunkt B ist ein Halbleiterschalter SH1 angeordnet. Analog hierzu ist zwischen dem zweiten Endpunkt K4 und dem ersten Anschlusspunkt A ein Halbleiterschalter SL2 angeordnet und zwischen dem zweiten Endpunkt K4 und dem zweiten Anschlusspunkt B der Energiespeichervorrichtung ist ein Halbleiterschalter SL1 angeordnet. The energy storage device further has two connection points A and B, via which the energy storage device can either provide a voltage or alternatively via which the energy storage device can be charged. Between the first end point K1 of the series connection of the energy storage cells C1-C4 and the first connection point A of the energy storage device, a semiconductor switch SH2 is arranged, and between the end point K1 and the second connection point B, a semiconductor switch SH1 is arranged. Analogously, a semiconductor switch SL2 is arranged between the second end point K4 and the first connection point A, and a semiconductor switch SL1 is arranged between the second end point K4 and the second connection point B of the energy storage device.

Zwischen dem Knotenpunkt K12, der die erste Energiespeicherzelle C1 mit der zweiten Energiespeicherzelle C2 verbindet und den Anschlusspunkten A und B ist jeweils ein Schaltungsmodul M1 bzw. M2 angeordnet. Ebenso ist zwischen dem Knotenpunkt K23 und dem Anschlusspunkt B ein Schaltungsmodul M3 angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K23 und dem Anschlusspunkt A ein Schaltungsmodul M4. Ferner ist zwischen dem Knotenpunkt K34 und dem Anschlusspunkt B das Schaltungsmodul M5 angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K34 und dem Anschlusspunkt A das Schaltungsmodul M6. Between the node K12, which connects the first energy storage cell C1 with the second energy storage cell C2 and the connection points A and B, a respective circuit module M1 or M2 is arranged. Likewise, a circuit module M3 is arranged between the node K23 and the connection point B, and a circuit module M4 is arranged between the node K23 and the connection point A. Further, between the node K34 and the connection point B, the circuit module M5 is arranged, and between the node K34 and the connection point A, the circuit module M6.

Die Schaltungsmodule M1 bis M6 dienen dabei einer bipolaren Trennung der Knotenpunkte und der jeweiligen Anschlusspunkte A oder B. Das heißt, wenn das jeweilige Schaltungsmodul M1 bis M6 nicht geschlossen ist, ermöglicht das Schaltungsmodul eine zuverlässige elektrische Trennung zwischen dem Knotenpunkt und den Anschlusspunkten, unabhängig davon, ob eine positive oder negative Spannung anliegt. Hierzu umfassen die jeweiligen Schaltungsmodule M1 bis M6 beispielsweise eine antiserielle Beschaltung zweier Halbleiterschalter S1–S12. Durch diese antiserielle Beschaltung zweier Halbleiterschalter kann eine zuverlässige Trennung unabhängig von der Polarität der anliegenden Spannung erreicht werden. Aufgrund der in den Halbleiterschaltern üblicherweise integrierten Bodydiode besteht bei der Verwendung eines einzigen Halbleiterschalters dagegen die Gefahr, dass die elektrische Trennung nur für eine Polarität ermöglicht werden kann, während bei inverser Polarität die Bodydiode des Halbleiterschalters leitend würde. Im Falle zweier antiseriell miteinander verschalteter Halbleiterschalter dagegen wird dabei jeweils mindestens eine der Bodydioden in Sperrrichtung betrieben, so dass für beide Polaritäten eine zuverlässige elektrische Trennung erreicht werden kann. In this case, the circuit modules M1 to M6 serve for a bipolar separation of the nodes and the respective connection points A or B. That is, if the respective circuit module M1 to M6 is not closed, the circuit module allows a reliable electrical isolation between the node and the connection points, regardless whether a positive or negative voltage is present. These include the respective Circuit modules M1 to M6, for example, an antiserial circuit of two semiconductor switches S1-S12. By means of this antiserial connection of two semiconductor switches, a reliable separation can be achieved independently of the polarity of the applied voltage. Due to the usually integrated in the semiconductor switches body diode when using a single semiconductor switch, however, the risk that the electrical isolation can be made possible only for one polarity, while inverse polarity, the body diode of the semiconductor switch would be conductive. In the case of two antiseries interconnected semiconductor switch, however, in each case at least one of the body diodes is operated in the reverse direction, so that a reliable electrical separation can be achieved for both polarities.

Für die Ausgabe einer vorbestimmten Spannung zwischen den Anschlussklemmen A und B wird dabei ein geeigneter Teil der Serienschaltung mit den Energiespeicherzellen C1–C4 ausgewählt, der einer auszugebenden Spannung entspricht. Stellt beispielsweise jede der Energiespeicherzellen C1–C4 eine Spannung von 10 V bereit und soll zwischen den Klemmen A und B eine Spannung von +20 V ausgegeben werden, so sind hierfür zwei hintereinander liegende Energiespeicherzellen auszuwählen. Beispielsweise kann hierzu eine Kombination der Zellen C1 und C2 gewählt werden, oder alternativ auch Energiespeicherzellen C2 und C3 oder C3 und C4. Wie bereits dieses einfache Beispiel zeigt, können bei Ausgangsspannungen, die nur einen Teil der maximalen Spannung der Energiespeicherzellen C1–C4 betragen, zahlreiche Kombinationen zu dem gewünschten Ergebnis führen. Soll nun beispielsweise die Ausgangsspannung von +20 V durch die Zellen C1 und C2 bereitgestellt werden, so wird hierzu einerseits das Halbleiterschaltelement SH2 zwischen dem Punkt K1 und dem Anschluss A aktiviert. Ferner wird das Schaltungsmodul M3 mit den Halbleiterschaltern S5 und S6 aktiviert, um den Knotenpunkt K23 mit dem Anschlusspunkt B zu verbinden. For the output of a predetermined voltage between the terminals A and B while a suitable part of the series circuit is selected with the energy storage cells C1-C4, which corresponds to a voltage to be output. If, for example, each of the energy storage cells C1-C4 provides a voltage of 10 V and if a voltage of +20 V is to be output between the terminals A and B, then two energy storage cells located one behind the other must be selected for this purpose. For example, a combination of the cells C1 and C2 can be selected for this, or alternatively also energy storage cells C2 and C3 or C3 and C4. As already shown in this simple example, at output voltages which are only a part of the maximum voltage of the energy storage cells C1-C4, numerous combinations can lead to the desired result. If, for example, the output voltage of +20 V is to be provided by the cells C1 and C2, then on the one hand the semiconductor switching element SH2 between the point K1 and the terminal A is activated. Further, the circuit module M3 is activated with the semiconductor switches S5 and S6 to connect the node K23 to the terminal B.

Für eine einfache Ansteuerung der antiseriellen Schaltung der Halbleiterschalterelemente in den Schaltungsmodulen M1–M6 können dabei jeweils beide Halbleiterschaltelemente durch ein gemeinsames Steuersignal aktiviert werden. For a simple activation of the antiserial circuit of the semiconductor switch elements in the circuit modules M1-M6, in each case both semiconductor switching elements can be activated by a common control signal.

Alternativ ist es auch möglich, dass nur eines der antiseriellen Halbleiterschaltelemente S1–S12 aktiv angesteuert wird und der Strom über die Body-Diode des zweiten Halbleiterschaltelements fließt. Da die Body-Dioden in den Halbleiterschaltelementen stark verlustbehaftet sind, ist diese alternative Ansteuerung weniger bevorzugt. Alternatively, it is also possible that only one of the antiserial semiconductor switching elements S1-S12 is actively driven and the current flows through the body diode of the second semiconductor switching element. Since the body diodes in the semiconductor switching elements are highly lossy, this alternative control is less preferred.

Soll in einem weiteren Beispiel eine Spannung von –30 V zwischen den Klemmen A und B ausgegeben werden, so können hierzu beispielsweise die Zellen C2–C4 ausgewählt werden. Hierzu wird der negative Anschluss der Energiespeicherzellen C4 mit dem Anschluss A verbunden, in dem das Halbleiterschaltelement SL2 aktiviert wird. Ferner wird der positive Anschluss der Energiespeicherzelle C2 mit dem Anschluss B verbunden, in dem das Schaltungsmodul M1 mit den Halbleiterschaltern S1 und S2 durch ein gemeinsames Steuersignal aktiviert wird. If, in another example, a voltage of -30 V is output between terminals A and B, cells C2-C4, for example, can be selected for this purpose. For this purpose, the negative terminal of the energy storage cells C4 is connected to the terminal A, in which the semiconductor switching element SL2 is activated. Furthermore, the positive terminal of the energy storage cell C2 is connected to the terminal B, in which the circuit module M1 with the semiconductor switches S1 and S2 is activated by a common control signal.

Wie anhand den beiden zuvor angeführten Beispielen zu erkennen ist, kann dabei jeweils die gewünschte Ausgangsspannung zwischen den Klemmen A und B flexibel eingestellt werden, wobei jeweils zwischen dem Anschlusspunkt A und der ersten beteiligten Energiespeicherzelle entweder ein oder zwei Halbleiterschaltelemente in den Strompfad einbezogen werden und darüber hinaus zwischen dem Punkt B und dem weiteren Endpunkt der beteiligten Energiespeicherzellen ebenfalls ein oder zwei Halbleiterschalter in den Strompfad einbezogen sind. Somit sind unabhängig von der Anzahl der integrierten Energiespeicherzellen C1–C4 jeweils mindestens zwei und maximal vier Halbleiterschaltelemente in den Strompfad einbezogen. Im Vergleich zu konventionellen kaskadierbaren Systemen kann auf diese Weise eine ganz erhebliche Reduzierung der beteiligten Halbleiterschaltelemente erreicht werden. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung der auftretenden Halbleiterverluste.As can be seen from the two examples above, in each case the desired output voltage between the terminals A and B can be flexibly adjusted, in each case between the connection point A and the first participating energy storage cell either one or two semiconductor switching elements are included in the current path and about In addition, between the point B and the further end point of the energy storage cells involved, one or two semiconductor switches are also included in the current path. Thus, regardless of the number of integrated energy storage cells C1-C4, at least two and at most four semiconductor switching elements are included in the current path. Compared to conventional cascadable systems can be achieved in this way a very significant reduction of the semiconductor switching elements involved. This leads to a significant improvement of the semiconductor losses occurring.

Wie bereits zuvor beschrieben wurde, können insbesondere bei Ausgangsspannungen, die nur einen Teil der maximalen Spannung der Serienschaltung der Energiespeicherzellen C1–C4 entsprechen, zahlreiche Varianten herangezogen werden, um die gewünschte Ausgangsspannung einzustellen. Dies ermöglicht es, die aktuellen Betriebsbedingungen der einzelnen Energiespeicherzellen C1–C4 bei der Auswahl zu berücksichtigen. Somit kann beispielsweise eine besonders gleichmäßige Beanspruchung und Entladung aller Energiespeicherzellen C1–C4 erreicht werden. Hierzu kann der Ladezustand der einzelnen Energiespeicherzellen C1–C4 während des Betriebs kontinuierlich ermittelt werden und daraufhin können die Energiespeicherzellen ausgewählt werden, die den besten Ladezustand besitzen. Die Ermittlung eines Ladezustands kann dabei entweder basierend auf Messwerten innerhalb der Energiespeichervorrichtung erfolgen, oder alternativ basierend auf Schätzwerten. So kann beispielsweise ein mathematisches Modell gebildet werden, das basierend auf der bisherigen Verwendung der einzelnen Energiespeicherzellen einen Schätzwert für den Ladezustand liefert. As already described above, numerous variants can be used to set the desired output voltage, in particular for output voltages which correspond only to a part of the maximum voltage of the series connection of the energy storage cells C1-C4. This makes it possible to take into account the current operating conditions of the individual energy storage cells C1-C4 in the selection. Thus, for example, a particularly uniform stress and discharge of all energy storage cells C1-C4 can be achieved. For this purpose, the state of charge of the individual energy storage cells C1-C4 can be continuously determined during operation and then the energy storage cells can be selected, which have the best state of charge. The determination of a state of charge can be carried out either based on measured values within the energy storage device, or alternatively based on estimated values. Thus, for example, a mathematical model can be formed which provides an estimate of the state of charge based on the previous use of the individual energy storage cells.

Zusätzlich oder alternativ kann bei der Auswahl der einzelnen Energiespeicherzellen auch auf die thermische Belastung der einzelnen Energiespeicherzellen C1–C4 Rücksicht genommen werden. Auf diese Weise kann eine möglichst gleichmäßige thermische Belastung des Gesamtsystems erreicht werden. Hierzu können die einzelnen Energiespeicherzellen beispielsweise mit thermischen Sensoren versehen werden, die eine Aussage über die aktuelle Betriebstemperatur liefern. Alternativ kann auch die Temperatur der einzelnen Energiespeicherzellen basierend auf einem mathematischen Modell ermittelt werden. Somit ist es möglich, die Energiespeichervorrichtung derart zu betreiben, dass alle Energiespeicherzellen C1–C4 während des Betriebs eine annähernd gleiche Betriebstemperatur aufweisen. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Alterung des Gesamtsystems und somit auf die Lebensdauer aus. Additionally or alternatively, in the selection of the individual energy storage cells and on the thermal load of the individual energy storage cells C1-C4 be taken into account. On In this way, the most uniform possible thermal load on the entire system can be achieved. For this purpose, the individual energy storage cells can be provided, for example, with thermal sensors that provide information about the current operating temperature. Alternatively, the temperature of the individual energy storage cells can be determined based on a mathematical model. Thus, it is possible to operate the energy storage device such that all energy storage cells C1-C4 have an approximately same operating temperature during operation. This has a particularly advantageous effect on the aging of the entire system and thus on the life.

Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung ermöglicht die Bereitstellung einer Wechselspannung zwischen den Klemmen A und B, sowie das Gleichrichten einer zwischen den Klemmen A und B anliegenden Wechselspannung, zum Aufladen der Energiespeicherelemente C1–C4.In the 1 shown circuitry allows the provision of an AC voltage between the terminals A and B, as well as the rectification of a voltage applied between the terminals A and B AC voltage to charge the energy storage elements C1-C4.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltungskonzepts für ein dreiphasiges Drehstromsystem. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst drei separate Energiespeichervorrichtungen 1, 2 und 3, also jeweils eine Energiespeichervorrichtung für jede der Phasen des Drehstromsystems. Jede der Energiespeichervorrichtungen 1, 2 und 3 ist dabei analog zu der einphasigen Energiespeichervorrichtung aufgebaut, wie sie in Zusammenhang mit 1 bereits beschrieben wurde. 2 shows an embodiment of a development of the circuit concept according to the invention for a three-phase three-phase system. This embodiment includes three separate energy storage devices 1 . 2 and 3 Thus, in each case one energy storage device for each of the phases of the three-phase system. Each of the energy storage devices 1 . 2 and 3 is constructed analogously to the single-phase energy storage device, as in connection with 1 already described.

Die erste Energiespeichervorrichtung 1 umfasst dabei vier als Serienschaltung miteinander verbundene Energiespeicherzellen C1a–C4a. Der negative Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1a der ersten Energiespeichervorrichtung 1 ist über einen Knotenpunkt K12a mit dem positiven Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2a verbunden. Der negative Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2a ist über den Knotenpunkt K23a mit dem positiven Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3a verbunden, und der negative Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3a ist über den Knotenpunkt K34a mit dem positiven Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4a verbunden. Der positive Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1a bildet dabei einen ersten Endpunkt K1a der Serienschaltung aus mehreren Energiespeicherzellen, und der negative Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4a bildet dabei den zweiten Endpunkt K4a der Serienschaltung. Die erste Energiespeichervorrichtung 1 weist zwei Anschlusspunkte A1 und B1 auf, über die die erste Energiespeichervorrichtung 1 entweder eine Spannung bereitstellen kann, oder über die die erste Energiespeichervorrichtung 1 alternativ aufgeladen werden kann. Zwischen dem ersten Endpunkt K1a der Serienschaltung der Energiespeicherzellen C1a–C4a und dem ersten Anschlusspunkt A1 der ersten Energiespeichervorrichtung 1 ist ein Halbleiterschalter SH2a angeordnet, und zwischen dem Endpunkt K1a und dem zweiten Anschlusspunkt B1 ist ein Halbleiterschalter SH1a angeordnet. Analog hierzu ist zwischen dem zweiten Endpunkt K4a und dem ersten Anschlusspunkt A1 ein Halbleiterschalter SL2a angeordnet und zwischen dem zweiten Endpunkt K4a und dem zweiten Anschlusspunkt B1 der ersten Energiespeichervorrichtung 1 ist ein Halbleiterschalter SL1a angeordnet. Zwischen dem Knotenpunkt K12a, der die erste Energiespeicherzelle C1a mit der zweiten Energiespeicherzelle C2a verbindet und den Anschlusspunkten A1 und B1 ist jeweils ein Schaltungsmodul M1a bzw. M2a angeordnet. Ebenso ist zwischen dem Knotenpunkt K23a und dem Anschlusspunkt B1 ein Schaltungsmodul M3a angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K23a und dem Anschlusspunkt A1 ein Schaltungsmodul M4a. Ferner ist zwischen dem Knotenpunkt K34a und dem Anschlusspunkt B1 das Schaltungsmodul M5a angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K34a und dem Anschlusspunkt A1 das Schaltungsmodul M6a. The first energy storage device 1 includes four interconnected as a series circuit energy storage cells C1a-C4a. The negative terminal of the first energy storage cell C1a of the first energy storage device 1 is connected via a node K12a to the positive terminal of the second energy storage cell C2a. The negative terminal of the second energy storage cell C2a is connected via the node K23a to the positive terminal of the third energy storage cell C3a, and the negative terminal of the third energy storage cell C3a is connected via the node K34a to the positive terminal of the fourth energy storage cell C4a. The positive terminal of the first energy storage cell C1a forms a first end point K1a of the series circuit of a plurality of energy storage cells, and the negative terminal of the fourth energy storage cell C4a forms the second end point K4a of the series circuit. The first energy storage device 1 has two connection points A1 and B1, via which the first energy storage device 1 can either provide a voltage, or over which the first energy storage device 1 Alternatively it can be charged. Between the first end point K1a of the series connection of the energy storage cells C1a-C4a and the first connection point A1 of the first energy storage device 1 a semiconductor switch SH2a is arranged, and between the end point K1a and the second connection point B1, a semiconductor switch SH1a is arranged. Analogously thereto, a semiconductor switch SL2a is arranged between the second end point K4a and the first connection point A1 and between the second end point K4a and the second connection point B1 of the first energy storage device 1 a semiconductor switch SL1a is arranged. Between the node K12a, which connects the first energy storage cell C1a to the second energy storage cell C2a and the connection points A1 and B1, a respective circuit module M1a or M2a is arranged. Likewise, a circuit module M3a is arranged between the node K23a and the connection point B1, and a circuit module M4a is arranged between the node K23a and the connection point A1. Furthermore, the circuit module M5a is arranged between the node K34a and the connection point B1, and the circuit module M6a is arranged between the node K34a and the connection point A1.

Die zweite Energiespeichervorrichtung 2 umfasst vier als Serienschaltung miteinander verbundene Energiespeicherzellen C1b–C4b. Der negative Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1b dieser zweiten Energiespeichervorrichtung 2 ist über einen Knotenpunkt K12b mit dem positiven Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2b verbunden. Der negative Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2b ist über den Knotenpunkt K23b mit dem positiven Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3b verbunden, und der negative Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3b ist über den Knotenpunkt K34b mit dem positiven Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4b verbunden. Der positive Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1b bildet dabei einen ersten Endpunkt K1b der Serienschaltung aus mehreren Energiespeicherzellen, und der negative Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4b bildet dabei den zweiten Endpunkt K4b der Serienschaltung.. Die zweite Energiespeichervorrichtung 2 weist zwei Anschlusspunkte A2 und B2 auf, über die die zweite Energiespeichervorrichtung 2 entweder eine Spannung bereitstellen kann, oder über die die zweite Energiespeichervorrichtung 2 alternativ aufgeladen werden kann. Zwischen dem ersten Endpunkt K1b der Serienschaltung der Energiespeicherzellen C1b–C4b und dem ersten Anschlusspunkt A2 der zweiten Energiespeichervorrichtung 2 ist ein Halbleiterschalter SH2b angeordnet, und zwischen dem Endpunkt K1b und dem zweiten Anschlusspunkt B2 ist ein Halbleiterschalter SH1b angeordnet. Analog hierzu ist zwischen dem zweiten Endpunkt K4b und dem ersten Anschlusspunkt A2 ein Halbleiterschalter SL2b angeordnet und zwischen dem zweiten Endpunkt K4b und dem zweiten Anschlusspunkt B2 der zweiten Energiespeichervorrichtung 2 ist ein Halbleiterschalter SL1b angeordnet. Zwischen dem Knotenpunkt K12b, der die erste Energiespeicherzelle C1b mit der zweiten Energiespeicherzelle C2b verbindet und den Anschlusspunkten A2 und B2 ist jeweils ein Schaltungsmodul M1b bzw. M2b angeordnet. Ebenso ist zwischen dem Knotenpunkt K23b und dem Anschlusspunkt B2 ein Schaltungsmodul M3b angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K23b und dem Anschlusspunkt A2 ein Schaltungsmodul M4b. Ferner ist zwischen dem Knotenpunkt K34b und dem Anschlusspunkt B2 das Schaltungsmodul M5b angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K34b und dem Anschlusspunkt A2 das Schaltungsmodul M6b. The second energy storage device 2 comprises four series-connected energy storage cells C1b-C4b. The negative terminal of the first energy storage cell C1b of this second energy storage device 2 is connected via a node K12b to the positive terminal of the second energy storage cell C2b. The negative terminal of the second energy storage cell C2b is connected via the node K23b to the positive terminal of the third energy storage cell C3b, and the negative terminal of the third energy storage cell C3b is connected via the node K34b to the positive terminal of the fourth energy storage cell C4b. In this case, the positive terminal of the first energy storage cell C1b forms a first end point K1b of the series circuit comprising a plurality of energy storage cells, and the negative terminal of the fourth energy storage cell C4b forms the second end point K4b of the series circuit. The second energy storage device 2 has two connection points A2 and B2, via which the second energy storage device 2 can either provide a voltage, or via the second energy storage device 2 Alternatively it can be charged. Between the first end point K1b of the series connection of the energy storage cells C1b-C4b and the first connection point A2 of the second energy storage device 2 a semiconductor switch SH2b is arranged, and between the end point K1b and the second terminal B2, a semiconductor switch SH1b is arranged. Analogously thereto, a semiconductor switch SL2b is arranged between the second end point K4b and the first connection point A2, and between the second end point K4b and the second connection point B2 of the second energy storage device 2 a semiconductor switch SL1b is arranged. Between the node K12b, which connects the first energy storage cell C1b to the second energy storage cell C2b, and the connection points A2 and B2, a respective circuit module M1b or M2b is arranged. Likewise, a circuit module M3b is arranged between the node K23b and the connection point B2, and a circuit module M4b is arranged between the node K23b and the connection point A2. Further, between the node K34b and the connection point B2, the circuit module M5b is arranged, and between the node K34b and the connection point A2, the circuit module M6b.

Die dritte Energiespeichervorrichtung 3 umfasst ebenso vier als Serienschaltung miteinander verbundene Energiespeicherzellen C1c–C4c. Der negative Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1c dieser dritten Energiespeichervorrichtung 3 ist über einen Knotenpunkt K12c mit dem positiven Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2c verbunden. Der negative Anschluss der zweiten Energiespeicherzelle C2c ist über den Knotenpunkt K23c mit dem positiven Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3c verbunden, und der negative Anschluss der dritten Energiespeicherzelle C3c ist über den Knotenpunkt K34a mit dem positiven Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4c verbunden. Der positive Anschluss der ersten Energiespeicherzelle C1c bildet dabei einen ersten Endpunkt K1c der Serienschaltung aus mehreren Energiespeicherzellen, und der negative Anschluss der vierten Energiespeicherzelle C4c bildet dabei den zweiten Endpunkt K4c der Serienschaltung. Die dritte Energiespeichervorrichtung 3 weist zwei Anschlusspunkte A3 und B3 auf, über die die dritte Energiespeichervorrichtung 3 entweder eine Spannung bereitstellen kann, oder über die dritte die Energiespeichervorrichtung 3 alternativ aufgeladen werden kann. Zwischen dem ersten Endpunkt K1c der Serienschaltung der Energiespeicherzellen C1c–C4c und dem ersten Anschlusspunkt A3 der Energiespeichervorrichtung ist ein Halbleiterschalter SH2c angeordnet, und zwischen dem Endpunkt K1c und dem zweiten Anschlusspunkt B3 ist ein Halbleiterschalter SH1c angeordnet. Analog hierzu ist zwischen dem zweiten Endpunkt K4c und dem ersten Anschlusspunkt A3 ein Halbleiterschalter SL2c angeordnet und zwischen dem zweiten Endpunkt K4c und dem zweiten Anschlusspunkt B3 der dritten Energiespeichervorrichtung 3 ist ein Halbleiterschalter SL1c angeordnet. Zwischen dem Knotenpunkt K12c, der die erste Energiespeicherzelle C1c mit der zweiten Energiespeicherzelle C2c verbindet und den Anschlusspunkten A3 und B3 ist jeweils ein Schaltungsmodul M1c bzw. M2c angeordnet. Ebenso ist zwischen dem Knotenpunkt K23c und dem Anschlusspunkt B3 ein Schaltungsmodul M3c angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K23c und dem Anschlusspunkt A3 ein Schaltungsmodul M4c. Ferner ist zwischen dem Knotenpunkt K34c und dem Anschlusspunkt B3 das Schaltungsmodul M5c angeordnet und zwischen dem Knotenpunkt K34c und dem Anschlusspunkt A3 das Schaltungsmodul M6c. The third energy storage device 3 also comprises four series-connected energy storage cells C1c-C4c. The negative terminal of the first energy storage cell C1c of this third energy storage device 3 is connected via a node K12c to the positive terminal of the second energy storage cell C2c. The negative terminal of the second energy storage cell C2c is connected via the node K23c to the positive terminal of the third energy storage cell C3c, and the negative terminal of the third energy storage cell C3c is connected via the node K34a to the positive terminal of the fourth energy storage cell C4c. In this case, the positive terminal of the first energy storage cell C1c forms a first end point K1c of the series circuit comprising a plurality of energy storage cells, and the negative terminal of the fourth energy storage cell C4c forms the second end point K4c of the series circuit. The third energy storage device 3 has two connection points A3 and B3, over which the third energy storage device 3 either can provide a voltage, or via the third, the energy storage device 3 Alternatively it can be charged. Between the first end point K1c of the series connection of the energy storage cells C1c-C4c and the first connection point A3 of the energy storage device, a semiconductor switch SH2c is arranged, and between the end point K1c and the second connection point B3 a semiconductor switch SH1c is arranged. Analogously thereto, a semiconductor switch SL2c is arranged between the second end point K4c and the first connection point A3 and between the second end point K4c and the second connection point B3 of the third energy storage device 3 a semiconductor switch SL1c is arranged. Between the node K12c, which connects the first energy storage cell C1c to the second energy storage cell C2c and the connection points A3 and B3, a respective circuit module M1c or M2c is arranged. Likewise, a circuit module M3c is arranged between the node K23c and the connection point B3, and a circuit module M4c is arranged between the node K23c and the connection point A3. Further, between the node K34c and the connection point B3, the circuit module M5c is arranged, and between the node K34c and the connection point A3, the circuit module M6c.

Die Begrenzung auf vier Energiespeicherzellen C1c–C4c in der ersten, zweiten und dritten Energiespeichervorrichtung 1, 2, 3 dient lediglich der besseren Anschauung. Eine davon abweichende Anzahl von Energiespeicherzellen, also eine Serienschaltung mit weniger oder mehr Energiespeicherzellen ist jedoch ebenso möglich. Das Funktionsprinzip der erste, zweite und dritte Energiespeichervorrichtung 1, 2 und 3 entspricht dabei dem Funktionsprinzip der Energiespeichervorrichtung, wie sie bereits in dem Ausführungsbeispiel in Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde. Daher wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung dieser Beschreibung verzichtet und auf die entsprechenden oben stehenden Textstellen verwiesen.The limitation to four energy storage cells C1c-C4c in the first, second and third energy storage device 1 . 2 . 3 serves only for better intuition. However, a different number of energy storage cells, ie a series connection with fewer or more energy storage cells is also possible. The operating principle of the first, second and third energy storage device 1 . 2 and 3 corresponds to the operating principle of the energy storage device, as already in the embodiment in connection with 1 has been described. Therefore, a repetition of this description is omitted here and reference is made to the corresponding text above.

Die Schaltelemente der ersten, zweiten und dritten Energiespeichervorrichtung 1, 2, 3 sind für die Bereitstellung eines dreiphasigen Drehstromsystems dabei jeweils so anzusteuern, dass an den Anschlusspunkten drei jeweils um 120 Grad phasenversetzte Wechselspannungen anliegen. Analog sind für das Gleichrichten und Laden der Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energiespeichervorrichtungen 1, 2, 3 die Schaltelemente auch jeweils entsprechend der Phasenlagen der anliegenden Wechselspannungen anzusteuern.The switching elements of the first, second and third energy storage device 1 . 2 . 3 In this case, for the provision of a three-phase three-phase system, each one must be driven in such a way that three alternating voltages, each phase-shifted by 120 degrees, are present at the connection points. Analog are for rectifying and charging the energy storage cells in the respective energy storage devices 1 . 2 . 3 The switching elements also in each case according to the phase angles of the applied AC voltages to control.

Für einen Anschluss der beschriebenen dreiphasigen Schaltungsanordnung an ein Drehstromsystem werden die zweiten Anschlusspunkte B1, B2 und B3 miteinander verbunden. Der Anschluss an das Drehstromnetz erfolgt über die ersten Anschlusspunkte A1, A2 und A3. Dabei ist jeweils der erste Anschlusspunkt der ersten Energiespeichervorrichtung 1 mit der ersten Phase U des Drehstromsystems verbunden, der erste Anschlusspunkt der zweiten Energiespeichervorrichtung 2 ist mit der zweiten Phase V des Drehstromsystems verbunden und der erste Anschlusspunkt der dritten Energiespeichervorrichtung 3 ist mit der dritten Phase V des Drehstromsystems verbunden. For a connection of the described three-phase circuit arrangement to a three-phase system, the second connection points B1, B2 and B3 are connected to one another. The connection to the three-phase network is via the first connection points A1, A2 and A3. In each case, the first connection point of the first energy storage device 1 connected to the first phase U of the three-phase system, the first connection point of the second energy storage device 2 is connected to the second phase V of the three-phase system and the first connection point of the third energy storage device 3 is connected to the third phase V of the three-phase system.

3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltungskonzepts für ein dreiphasiges Drehstromsystem. In Ergänzung zu der in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung für ein dreiphasiges System ferner einen weiteren Anschlusspunkt C. Zwischen dem ersten Endpunkt K1 der Serienschaltung der Energiespeicherzellen C1 bis C4 und dem weiteren Anschlusspunkt C der Energiespeichervorrichtung ist ein Halbleiterschalter SH3 angeordnet. Analog hierzu ist zwischen dem zweiten Endpunkt K4 und dem weiteren Anschlusspunkt C ein Halbleiterschalter SL3 angeordnet. Zwischen dem Knotenpunkt K12, der die erste Energiespeicherzelle C1 mit der zweiten Energiespeicherzelle C2 verbindet und dem weiteren Anschlusspunkten C ist ein Schaltungsmodul M7 angeordnet. Ebenso ist zwischen dem Knotenpunkt K23 und dem weiteren Anschlusspunkt C ein Schaltungsmodul M8 angeordnet. Ferner ist zwischen dem Knotenpunkt K34 und dem weiteren Anschlusspunkt C das Schaltungsmodul M9 angeordnet. Somit kann durch entsprechende Ansteuerung eine dreiphasige Wechselspannung zwischen den Klemmen A, B und C bereitgestellt werden, bzw. durch Anlegen einer dreiphasigen Wechselspannung an den Klemmen A, B und C können die Energiespeicherzellen C1 bis C4 aufgeladen werden. 3 shows an alternative embodiment of a development of the circuit concept according to the invention for a three-phase three-phase system. In addition to in connection with 1 The circuit arrangement for a three-phase system further comprises a further connection point C between the first end point K1 of the series connection of the energy storage cells C1 to C4 and the further connection point C of the Energy storage device is arranged a semiconductor switch SH3. Analogously, a semiconductor switch SL3 is arranged between the second end point K4 and the further connection point C. Between the node K12, which connects the first energy storage cell C1 with the second energy storage cell C2 and the further connection points C, a circuit module M7 is arranged. Likewise, a circuit module M8 is arranged between the node K23 and the further connection point C. Furthermore, the circuit module M9 is arranged between the node K34 and the further connection point C. Thus, by appropriate control, a three-phase AC voltage between the terminals A, B and C can be provided, or by applying a three-phase AC voltage to the terminals A, B and C, the energy storage cells C1 to C4 can be charged.

Das Ausführungsbeispiel, das in Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde, benötigt für jede Phase des Drehstromsystems separate Energiespeicherelemente. Dies führt zu einer sehr hohen Anzahl von erforderlichen Energiespeicherelementen. Im Gegensatz hierzu werden in dem Ausführungsbeispiel nach 3 für alle Phasen des Drehstromsystems gemeinsame Energiespeicherelemente verwendet. Daher kann in diesem Ausführungsbeispiel die Anzahl der erforderlichen Energiespeicherzellen verringert werden.The embodiment associated with 2 described requires separate energy storage elements for each phase of the three-phase system. This leads to a very high number of required energy storage elements. In contrast, in the embodiment after 3 common energy storage elements used for all phases of the three-phase system. Therefore, in this embodiment, the number of required energy storage cells can be reduced.

Die Erweiterung der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung für mehrere Phasen wurde im Voraufgegangenen in Bezug auf ein dreiphasiges Drehstromsystem beschrieben. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich in einer analogen Weiterbildung ein Energiesystem mit einer von drei abweichenden Anzahl von Phasen aufzubauen.The expansion of the multiple phase energy storage device of the present invention has been described in the foregoing with respect to a three phase three phase system. In addition, it is of course also possible in an analog training to build an energy system with one of three different number of phases.

4 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm für den Verlauf einer annähernd sinusförmigen Ausgangsspannung. Die gepunktete Linie stellt dabei die einzustellende Soll-Spannung dar und die durchgezogene Linie den tatsächlichen Spannungsverlauf, wie er durch geeignete Wahl von Energiespeicherzellen eingestellt werden kann. Wie in diesem Beispiel zu erkennen ist, kann bereits mit relativ wenigen Energiespeicherzellen eine sehr gute Annäherung an einen Soll-Verlauf erzielt werden. Mit zunehmender Anzahl von Energiespeicherzellen und damit einer feineren Abstufung kann dieser Spannungsverlauf noch präziser an die gewünschte Soll-Spannung angenähert werden. 4 shows a voltage-time diagram for the course of an approximately sinusoidal output voltage. The dotted line represents the target voltage to be set and the solid line the actual voltage curve, as it can be adjusted by a suitable choice of energy storage cells. As can be seen in this example, a very good approximation to a target profile can already be achieved with relatively few energy storage cells. With increasing number of energy storage cells and thus a finer gradation of this voltage curve can be more precisely approximated to the desired target voltage.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zum Betrieb einer Energiespeichervorrichtung. In einem ersten Schritt 110 wird dabei eine Mehrzahl in Serie geschalteter Energiespeicherzellen bereitgestellt. Benachbarte Energiespeicherzellen dieser Serienschaltung sind dabei jeweils über einen Knotenpunkt K12, K23, K34 verbunden. In Schritt 120 werden daraufhin eine oder mehrere in Serie geschaltete Energiespeicherzellen C1–C4 ausgewählt. In Schritt 130 wird ein erster Endanschluss der ausgewählten Energiespeicherzellen mit einem ersten Anschluss A der Energiespeichervorrichtung verbunden. Gleichzeitig wird in Schritt 140 ein zweiter Endanschluss der ausgewählten Energiespeicherzellen mit einem zweiten Anschluss B der Energiespeichervorrichtung verbunden. Für eine möglichst gleichmäßige Belastung aller Energiespeicherzellen kann dabei der Schritt zum Auswählen der Energiespeicherzellen die Energiespeicherzellen in Abhängigkeit von ihrem realen oder auch in Abhängigkeit von ihrem geschätzten Ladezustand auswählen. 5 shows a schematic representation of a method 100 for operating an energy storage device. In a first step 110 In this case, a plurality of series-connected energy storage cells is provided. Adjacent energy storage cells of this series circuit are each connected via a node K12, K23, K34. In step 120 Then one or more series-connected energy storage cells C1-C4 are selected. In step 130 a first end terminal of the selected energy storage cells is connected to a first terminal A of the energy storage device. At the same time in step 140 a second end terminal of the selected energy storage cells connected to a second terminal B of the energy storage device. For the most uniform possible loading of all energy storage cells, the step for selecting the energy storage cells can select the energy storage cells as a function of their actual or also as a function of their estimated state of charge.

Weiterhin kann zur weiteren Erhöhung der Lebensdauer und für eine schonendere Alterung der Schritt 120 die Energiespeicherzellen auch in Abhängigkeit der realen oder der geschätzten Betriebstemperatur der Energiespeicherzellen auswählen. Furthermore, to further increase the life and for a gentler aging step 120 also select the energy storage cells as a function of the real or the estimated operating temperature of the energy storage cells.

Im Voraufgegangenen wurde der Betrieb der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung im Zusammenhang mit der Ausgabe einer Spannung beschrieben. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Schaltungskonzept ebenso auch für das Laden der Energiespeicherzellen C1–C4 anwendbar. Liegt beispielsweise zwischen den Klemmen A und B der Energiespeichervorrichtung eine Ladespannung an, die geringer ist als die erforderliche Ladespannung der vollständigen Serienschaltung aller Energiespeicherzellen C1–C4, so kann durch das geeignete Auswählen eines Teils dieser Serienschaltung der Energiespeicherzellen C1–C4 entsprechend der bereitgestellten Ladespannung auch nur ein Teil der Energiespeicherzellen optimal geladen werden. Auch hierbei kann sowohl der Ladezustand, als auch die Temperatur der Energiespeicherzellen bei der Auswahl berücksichtigt werden. Somit ist durch das erfindungsgemäße Schaltungskonzept auch ein besonders effizientes und schonendes Laden der Energiespeicherzellen möglich.In the foregoing, the operation of the energy storage device according to the invention has been described in connection with the output of a voltage. In addition, the inventive circuit concept is also applicable for charging the energy storage cells C1-C4 as well. For example, if between the terminals A and B of the energy storage device to a charging voltage which is less than the required charging voltage of the complete series connection of all energy storage cells C1-C4, so can by appropriate selection of a part of this series connection of the energy storage cells C1-C4 according to the provided charging voltage also only a part of the energy storage cells are optimally charged. Again, both the state of charge, as well as the temperature of the energy storage cells can be taken into account in the selection. Thus, a particularly efficient and gentle charging of the energy storage cells is possible by the inventive circuit concept.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Energiespeichervorrichtung mit einer Serienschaltung mehrerer Energiespeicherzellen. Das erfindungsgemäße Schaltungskonzept ermöglicht dabei einen effizienten und schonenden Betrieb der Energiespeichervorrichtung. In summary, the present invention relates to an energy storage device with a series connection of a plurality of energy storage cells. The circuit concept according to the invention enables an efficient and gentle operation of the energy storage device.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2003/214824 A1 [0003] US 2003/214824 A1 [0003]

Claims (11)

Energiespeichervorrichtung, mit: einer Mehrzahl in Serie geschalteter Energiespeicherzellen (C1–C4), wobei benachbarte Energiespeicherzellen (C1–C4) der Serienschaltung jeweils über einen Knotenpunkt (K12, K23, K34) verbunden sind; und wobei zwischen jedem Knotenpunkt (K12, K23, K34) und einem ersten Anschlusspunkt (A) der Energiespeichervorrichtung ein Schaltungsmodul (M1, M3, M5) angeordnet ist, und zwischen jedem Knotenpunkt (K12, K23, K34) und einem zweiten Anschlusspunkt (B) der Energiespeichervorrichtung ein Schaltungsmodul (M2, M4, M6) angeordnet ist.Energy storage device, with: a plurality of series-connected energy storage cells (C1-C4), wherein adjacent energy storage cells (C1-C4) of the series circuit are each connected via a node (K12, K23, K34); and wherein between each node (K12, K23, K34) and a first connection point (A) of the energy storage device, a circuit module (M1, M3, M5) is arranged, and between each node (K12, K23, K34) and a second connection point (B) of the energy storage device, a circuit module (M2, M4, M6) is arranged. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltungsmodule (M1–M6) zwischen den Knotenpunkten (K12, K23, K34) und dem ersten oder dem zweiten Anschlusspunkt (A, B) anti-seriell geschaltete Halbleiterschalter (S1–S12) aufweisen.An energy storage device according to claim 1, wherein the circuit modules (M1-M6) between the nodes (K12, K23, K34) and the first or the second connection point (A, B) comprise anti-series connected semiconductor switches (S1-S12). Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die anti-seriell geschalteten Halbleiterschalter (S1–S12) eines Schaltungsmoduls (M1–M6) von einem gemeinsamen Steuersignal angesteuert werden.Energy storage device according to claim 2, wherein the anti-series-connected semiconductor switches (S1-S12) of a circuit module (M1-M6) are driven by a common control signal. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder Halbleiterschalter (S1–S12) eine Body-Diode umfasst; und wobei in einem Schaltungsmodul (M1–M6) jeweils nur der antiserielle Halbleiterschalter (S1–S12) angesteuert wird, dessen Body-Diode sich in Sperrrichtung befindet.An energy storage device according to claim 2, wherein each semiconductor switch (S1-S12) comprises a body diode; and wherein in a circuit module (M1-M6) in each case only the antiserial semiconductor switch (S1-S12) is driven, the body diode is in the reverse direction. Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen einem ersten Endpunkt (K1) der Serienschaltung der Energiespeicherzellen (C1–C4) und dem ersten und zweiten Anschlusspunkt (A, B) der Energiespeichervorrichtung jeweils ein Schaltelement (SH1, SH2), vorzugsweise ein Halbleiterschaltelement, angeordnet ist; und zwischen einem zweiten Endpunkt (K4) der Serienschaltung der Energiespeicherzellen (C1–C4) und dem ersten und zweiten Anschlusspunkt (A, B) der Energiespeichervorrichtung jeweils ein Schaltelement (SL1, SL2), vorzugsweise ein Halbleiterschaltelement, angeordnet ist.Energy storage device according to one of claims 1 to 4, wherein between a first end point (K1) of the series connection of the energy storage cells (C1-C4) and the first and second connection point (A, B) of the energy storage device each have a switching element (SH1, SH2), preferably a Semiconductor switching element is arranged; and between a second end point (K4) of the series connection of the energy storage cells (C1-C4) and the first and second connection point (A, B) of the energy storage device is arranged in each case a switching element (SL1, SL2), preferably a semiconductor switching element. Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen jedem Knotenpunkt (K12, K23, K34) und einem dritten Anschlusspunkt (C) der Energiespeichervorrichtung ein Schaltungsmodul (M7, M8, M9) angeordnet ist.Energy storage device according to one of claims 1 to 5, wherein between each node (K12, K23, K34) and a third connection point (C) of the energy storage device, a circuit module (M7, M8, M9) is arranged. Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, das eine Wechselrichteranordnung mit einer Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.A vehicle having an electric drive, which has an inverter arrangement with an energy storage device according to one of claims 1 to 6. Verwendung einer Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Wechselrichter, einer Einspeisevorrichtung für ein Energienetz und/oder einem Gleichrichter.Use of an energy storage device according to one of claims 1 to 6 in an inverter, a feed device for a power grid and / or a rectifier. Verfahren (100) zur Ansteuerung einer Energiespeichervorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen (110) einer Mehrzahl in Serie geschalteter Energiespeicherzellen (C1–C6), wobei benachbarte Energiespeicherzellen (C1–C6) der Serienschaltung jeweils über einen Knotenpunkt (K12, K23, K34) verbunden sind; Auswählen (120) eines oder mehrerer in Serie geschalteter Energiespeicherzellen (C1–C4); Verbinden (130) eines ersten Endanschlusses der ausgewählten Energiespeicherzellen (C1–C6) mit einem ersten Anschluss (A) der Energiespeichervorrichtung, und Verbinden (140) eines zweiten Endanschlusses der ausgewählten Energiespeicherzellen (C1–C6) mit einem zweiten Anschluss (B) der Energiespeichervorrichtung. Procedure ( 100 ) for controlling an energy storage device comprising the steps of: providing ( 110 ) a plurality of series-connected energy storage cells (C1-C6), wherein adjacent energy storage cells (C1-C6) of the series circuit are each connected via a node (K12, K23, K34); Choose ( 120 ) one or more series-connected energy storage cells (C1-C4); Connect ( 130 ) of a first end terminal of the selected energy storage cells (C1-C6) with a first terminal (A) of the energy storage device, and connecting ( 140 ) of a second end terminal of the selected energy storage cells (C1-C6) with a second terminal (B) of the energy storage device. Verfahren (100) nach Anspruch 9, wobei der Schritt (120) zum Auswählen der Energiespeicherzellen (C1–C6) die Energiespeicherzellen (C1–C6) in Abhängigkeit von ihrem realen oder geschätzten Ladezustand ausgewählt.Procedure ( 100 ) according to claim 9, wherein the step ( 120 ) for selecting the energy storage cells (C1-C6), the energy storage cells (C1-C6) selected depending on their real or estimated state of charge. Verfahren (100) nach Anspruch 10, wobei der Schritt (120) zum Auswählen der Energiespeicherzellen (C1–C6) die Energiespeicherzellen (C1–C6) in Abhängigkeit von ihrer realen oder geschätzten Temperatur auswählt.Procedure ( 100 ) according to claim 10, wherein the step ( 120 ) for selecting the energy storage cells (C1-C6) selects the energy storage cells (C1-C6) depending on their real or estimated temperature.
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