DE102013224511A1 - An electric drive system with a charging circuit for an energy storage device and method for operating an energy storage device - Google Patents

An electric drive system with a charging circuit for an energy storage device and method for operating an energy storage device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem (200; 300; 400; 500; 600; 700), mit einer Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von n Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von n Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, mit n > 1; einer (n – 1)-phasigen elektrischen Maschine (2), deren Phasenanschlüsse (2a, 2b) jeweils mit einem von n – 1 der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) verbunden sind, und deren Sternpunkt (2d) mit dem übrigen der Ausgangsanschlüsse (1c) der Energiespeichereinrichtung (1) verbunden ist.The invention relates to an electric drive system (200; 300; 400; 500; 600; 700) having an energy storage device (1) which has a multiplicity of n energy supply branches (Z) each with a plurality of energy storage modules (3) for generating an alternating voltage a plurality of n output terminals (1a, 1b, 1c) of the energy storage device (1), with n> 1; a (n - 1) -phase electric machine (2) whose phase terminals (2a, 2b) are each connected to one of n-1 of the output terminals (1a, 1b) of the energy storage device (1), and whose neutral point (2d) the rest of the output terminals (1c) of the energy storage device (1) is connected.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einer Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere beim Laden eines Batteriedirektumrichters mit einer Gleichspannung.The invention relates to an electric drive system with a charging circuit for an energy storage device and a method for operating an energy storage device, in particular when charging a direct battery converter with a DC voltage.

Stand der TechnikState of the art

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

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

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

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

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

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

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

Es besteht daher ein Bedarf an einer Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und einem Verfahren zum Betreiben derselben, mit denen Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung unter Einsatz einer Gleichspannung geladen werden können und welche auch zum Laden der Energiespeichereinrichtung eingesetzt werden kann, während selbige eine Ausgabespannung zum Betrieb einer elektrischen Maschine und/oder eines Gleichspannungsbordnetzes liefert.There is therefore a need for a charging circuit for an energy storage device and a method of operating the same, with which energy storage cells of the energy storage device can be charged using a DC voltage and which can also be used to charge the energy storage device, while the same provides an output voltage for operating an electric machine and / or a DC electrical system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von n Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von n Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist, mit n > 1; einer (n – 1)-phasigen elektrischen Maschine, deren Phasenanschlüsse jeweils mit einem von n – 1 der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung verbunden sind, und deren Sternpunkt mit dem übrigen der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung verbunden ist; einer ersten Halbbrückenschaltung mit einer Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind; einem ersten Speiseknoten, welcher mit der ersten Halbbrückenschaltung gekoppelt ist; einem zweiten Speiseknoten, welcher mit einer Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist; einer Wandlerdrossel, welche zwischen den ersten Speiseknoten und die erste Halbbrückenschaltung geschaltet ist; einer Diodenhalbbrücke, welcher zwischen den ersten Speiseknoten und den zweiten Speiseknoten gekoppelt ist; und einer Speiseschaltung, welche dazu ausgelegt ist, zumindest zeitweise eine Ladegleichspannung zwischen dem ersten Speiseknoten und dem zweiten Speiseknoten bereitzustellen.According to a first aspect, the present invention provides an electric drive system comprising an energy storage device having a plurality of n power supply branches, each having a plurality of energy storage modules for generating an AC voltage at a plurality of n output terminals of the energy storage device, with n> 1; a (n-1) -phase electric machine whose phase terminals are respectively connected to one of n-1 of the output terminals of the energy storage device, and whose neutral point is connected to the rest of the output terminals of the energy storage device; a first half-bridge circuit having a plurality of first supply terminals each coupled to one of the output terminals of the energy storage device; a first supply node coupled to the first half-bridge circuit; a second supply node coupled to a reference potential rail of the energy storage device; a converter choke connected between the first supply node and the first half-bridge circuit; a diode half-bridge coupled between the first supply node and the second supply node; and a supply circuit configured to provide, at least temporarily, a DC charging voltage between the first supply node and the second supply node.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die Schritte: Einstellen einer ersten Maschinenspannung an einem ersten der Phasenanschlüsse der (n – 1)-phasigen elektrischen Maschine als Differenz zwischen der Ausgabespannung eines ersten der n – 1 der Ausgangsanschlüsse und dem übrigen der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung; und Einstellen einer zweiten Maschinenspannung an einem zweiten der Phasenanschlüsse der (n – 1)-phasigen elektrischen Maschine als Differenz zwischen der Ausgabespannung einem zweiten der n – 1 der Ausgangsanschlüsse und dem übrigen der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung, wobei die erste Maschinenspannung gegenüber der zweiten Maschinenspannung im Zeigerdiagramm phasenverschoben ist, wobei die Phasenverschiebung vorzugsweise 90° beträgt.In another aspect, the present invention provides a method of operating an energy storage device in an electric drive system in accordance with an aspect of the present invention. The method comprises the steps of: setting a first machine voltage at a first of the phase terminals of the (n-1) -phase electric machine as a difference between the output voltage of a first one of n-1 of the output terminals and the rest of the output terminals of the energy storage device; and setting a second machine voltage at a second one of the (n-1) -phase electric machine phase terminals as a difference between the output voltage of a second one of n-1 of the output terminals and the rest of the output terminals of the energy storage device, wherein the first machine voltage is opposite to the second machine voltage in FIG Phasor diagram is phase-shifted, wherein the phase shift is preferably 90 °.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine Ladeschaltung wird mit den Ausgängen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere eines Batteriedirektumrichters, gekoppelt, so dass ein Gleichstrom zum Laden von Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung in die Ausgänge der Energiespeichereinrichtung eingespeist werden kann. Dazu ist es vorgesehen, eine Halbbrücke als Speiseeinrichtung jeweils an die Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung anzukoppeln, mit Hilfe derer ein Ladestrom der Ladeschaltung über alle Ausgangsanschlüsse in die Energiespeichereinrichtung hinein und über deren Bezugspotentialschiene wieder aus dieser heraus geführt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass als Speiseeinrichtung der Ladeschaltung eine von zwei Halbbrücken einer Gleichspannungsabgriffsanordnung genutzt werden kann, welche bereits zur Bereitstellung einer weiteren Gleichspannungslage, beispielsweise zur Speisung eines Zwischenkreiskondensators des Bordnetzes aus der Energiespeichereinrichtung, vorhanden ist.A charging circuit is coupled to the outputs of an energy storage device, in particular a battery direct converter, so that a direct current for charging energy storage cells of the energy storage device can be fed into the outputs of the energy storage device. For this purpose, it is provided to couple a half-bridge as a feed device respectively to the output terminals of the energy storage device, with the aid of which a charging current of the charging circuit via all output terminals in the energy storage device into and over their reference potential rail can be out again out of this. It is particularly advantageous that can be used as a feed device of the charging circuit one of two half bridges of a Gleichspannungsabgriffsanordnung, which is already for providing a further DC voltage position, for example, for feeding a DC link capacitor of the electrical system from the energy storage device available.

Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, diese generelle Topologie beizubehalten, indem eine Energiespeichereinrichtung mit einem zusätzlichen Ausgleichszweig ausgestattet wird, der zwischen die Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung und einen Sternpunkt einer angeschlossenen elektrischen Maschine gekoppelt ist. Dadurch können die Potentiale der Bezugspotentialschiene sowie des Sternpunkts der elektrischen Maschine getrennt voneinander eingestellt werden, ohne dass die Phasenspannungen der elektrischen Maschine selbst geändert werden müssen. Das ermöglicht einerseits eine Sternpunktverschiebung des Potentials zur Generierung ausreichender Ladespannungen für das Laden von Energiespeichermodulen der Energiespeichereinrichtung auch bei niedrigen Betriebsspannungen der elektrischen Maschine und andererseits den Ladebetrieb der Energiespeichereinrichtung während des eigentlichen Betriebs der elektrischen Maschine.It is an idea of the present invention to maintain this general topology by providing an energy storage device with an additional balancing branch coupled between the reference potential rail of the energy storage device and a neutral point of a connected electrical machine. Thereby, the potentials of the reference potential rail and the neutral point of the electric machine can be set separately from each other, without the phase voltages of the electric machine itself must be changed. This allows on the one hand a neutral point shift of the potential for generating sufficient charging voltages for charging energy storage modules of the energy storage device even at low operating voltages of the electric machine and on the other hand, the charging operation of the energy storage device during the actual operation of the electric machine.

Zudem kann über den zusätzlichen Ausgleichszweig die Leistungsabgabe bzw. -aufnahme der übrigen Energieversorgungszweige reguliert werden, indem die jeweilige Ausgabespannung des zusätzlichen Ausgleichszweigs an den jeweiligen Betriebsmodus der elektrischen Maschine angepasst wird.In addition, the power output or absorption of the remaining energy supply branches can be regulated via the additional compensation branch by the respective output voltage of the additional compensation branch being adapted to the respective operating mode of the electrical machine.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die erste Halbbrückenschaltung eine Vielzahl von Halbleiterschaltern aufweisen, welche jeweils zwischen den ersten Speiseknoten und einen der Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen gekoppelt sind.According to one embodiment of the electric drive system according to the invention, the first half-bridge circuit may comprise a multiplicity of semiconductor switches, each of which are coupled between the first supply node and one of the plurality of first supply terminals.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die erste Halbbrückenschaltung weiterhin eine Vielzahl von Dioden aufweisen, welche jeweils zwischen den ersten Speiseknoten und einen der Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen gekoppelt sind.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the first half-bridge circuit may further comprise a plurality of diodes which are respectively coupled between the first supply node and one of the plurality of first supply terminals.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die erste Halbbrückenschaltung weiterhin eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln aufweisen, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden oder Halbleiterschaltern und den ersten Speiseknoten gekoppelt sind.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the first half-bridge circuit may further comprise a plurality of commutating reactors each coupled between the plurality of diodes or semiconductor switches and the first supply node.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem zudem eine zweite Halbbrückenschaltung mit einer Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen aufweisen, welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind, wobei die zweite Halbbrückenschaltung mit dem zweiten Speiseknoten verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Halbbrückenschaltung dabei eine Vielzahl von Halbleiterschaltern aufweisen, welche jeweils zwischen den zweiten Speiseknoten und einen der Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen gekoppelt sind.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the electric drive system according to the invention may further comprise a second half-bridge circuit having a plurality of second supply terminals, which are each coupled to one of the output terminals of the energy storage device, wherein the second half-bridge circuit is connected to the second supply node. In one embodiment, the second half-bridge circuit may comprise a plurality of semiconductor switches, which are respectively coupled between the second supply node and one of the plurality of second supply terminals.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die die zweite Halbbrückenschaltung weiterhin eine Vielzahl von Dioden aufweisen, welche jeweils zwischen den zweiten Speiseknoten und einen der Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen gekoppelt sind.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the second half-bridge circuit may further comprise a plurality of diodes which are respectively coupled between the second supply node and one of the plurality of second supply terminals.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die zweite Halbbrückenschaltung weiterhin eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln aufweisen, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden oder Halbleiterschaltern und den zweiten Speiseknoten gekoppelt sind.According to another embodiment of the electric drive system according to the invention, the second half-bridge circuit may further comprise a plurality of commutation reactors each coupled between the plurality of diodes or semiconductor switches and the second supply node.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das elektrische Antriebssystem zudem einen ersten Bezugspotentialschalter, welcher zwischen den ersten Speiseknoten und die Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, und einen zweiten Bezugspotentialschalter aufweisen, welcher zwischen den zweiten Speiseknoten und die Bezugspotentialschiene der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the electric drive system may further comprise a first reference potential switch coupled between the first supply node and the reference potential rail of the energy storage device and a second reference potential switch coupled between the second supply node and the reference potential rail of the energy storage device.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann in Reihe zu dem ersten Bezugspotentialschalter eine erste Bezugspotentialdiode, und in Reihe zu dem zweiten Bezugspotentialschalter eine zweite Bezugspotentialdiode geschaltet sein.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, a first reference potential diode can be connected in series with the first reference potential switch, and a second reference potential diode can be connected in series with the second reference potential switch.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann in Reihe zu dem ersten Bezugspotentialschalter eine erste Kommutierungsdrossel, und in Reihe zu dem zweiten Bezugspotentialschalter eine zweite Kommutierungsdrossel geschaltet sein.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, a first commutation reactor can be connected in series with the first reference potential switch, and a second commutation reactor can be connected in series with the second reference potential switch.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die Speiseschaltung einen Speisekondensator aufweisen, welcher zwischen zwei Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die Ladegleichspannung zum Laden der Energiespeichermodule bereitzustellen.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the feed circuit may comprise a feed capacitor which is coupled between two input terminals of the charging circuit, and which is adapted to provide the DC charging voltage for charging the energy storage modules.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die Speiseschaltung einen Transformator, dessen Primärwicklung zwischen zwei Eingangsanschlüsse der Ladeschaltung gekoppelt ist, und einen Vollbrückengleichrichter aufweisen, welcher an die Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, eine pulsierende Ladegleichspannung zum Laden der Energiespeichermodule bereitzustellen.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the feed circuit may comprise a transformer whose primary winding is coupled between two input terminals of the charging circuit and a full-bridge rectifier which is coupled to the secondary winding of the transformer and which is adapted to provide a pulsating DC charging voltage for charging the To provide energy storage modules.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die elektrische Maschine eine zweiphasige Maschine, insbesondere eine Transversalflussmachine sein.According to a further embodiment of the electric drive system according to the invention, the electric machine may be a two-phase machine, in particular a Transversalflussmachine.

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

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

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

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

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

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

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

6 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 6 a schematic representation of a system with an energy storage device, a charging circuit and a Gleichspannungsabgriffsanordnung according to another embodiment of the present invention;

7 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 7 a schematic representation of a system with an energy storage device, a charging circuit and a Gleichspannungsabgriffsanordnung according to another embodiment of the present invention;

8 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 8th a schematic representation of a system with an energy storage device, a charging circuit and a Gleichspannungsabgriffsanordnung according to another embodiment of the present invention;

9 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung, einer Ladeschaltung und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 9 a schematic representation of a system with an energy storage device, a charging circuit and a Gleichspannungsabgriffsanordnung according to another embodiment of the present invention;

10 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 10 a schematic representation of a method for operating an energy storage device according to another embodiment of the present invention; and

11 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Zeigerdiagramms für die Ansteuerung einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 11 a schematic representation of an exemplary pointer diagram for the control of an energy storage device according to another embodiment of the present invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von in Energiespeichermodulen 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von n Energieversorgungszweigen Z, von denen in 1 beispielhaft zwei gezeigt sind, welche zur Erzeugung einer zweiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine zweiphasige elektrische Maschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich sein kann. Die Energieversorgungszweige Z können eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 3 aufweisen, welche in den Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in 1 je drei Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige Z über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b. Dabei sind die Ausgangsanschlüsse 1a, 1b der Energiespeichereinrichtung 1 an Phasenleitungen 2a bzw. 2b der elektrischen Maschine 2 angeschlossen. Die elektrische Maschine 2 kann beispielsweise eine Transversalflussmaschine 2 sein, welche über Induktivitäten La und Lb verfügt, die an einem Sternpunkt 2d verschaltet sind. Die nicht mit den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b verbundenen Ausgangsklemmen der Energieversorgungszweige Z sind galvanisch miteinander zu einem Sternpunkt verbunden und bilden gemeinsam eine Bezugspotentialschiene 4 der Energieversorgungseinrichtung 1. Das Bezugspotential 4 dieser Bezugspotentialschiene kann beispielsweise ein Massepotential sein. Auch ohne weitere Verbindung mit einem außerhalb der Energieversorgungseinrichtung 1 liegenden Bezugspotential kann das Potential der zu einem Sternpunkt verbundenen Enden der Energieversorgungszweige Z per Definition als Bezugspotential 4 festgelegt werden. 1 shows a schematic representation of a system 100 with an energy storage device 1 for voltage conversion in energy storage modules 3 provided DC voltage in an n-phase AC voltage. The energy storage device 1 comprises a plurality of n power supply branches Z, of which in 1 two examples are shown, which for generating a two-phase AC voltage, for example for a two-phase electric machine 2 , are suitable. However, it will be understood that any other number of power supply branches Z may also be possible. The power supply branches Z may have a plurality of energy storage modules 3 have, which are connected in the power supply branches Z in series. Exemplary are in 1 three energy storage modules each 3 each power supply branch Z shown, but with any other number of energy storage modules 3 may be possible as well. The energy storage device 1 has at each of the power supply branches Z via an output terminal 1a . 1b , Here are the output terminals 1a . 1b the energy storage device 1 on phase lines 2a respectively. 2 B the electric machine 2 connected. The electric machine 2 For example, a transversal flux machine 2 which has inductances La and Lb at a star point 2d are interconnected. Not with the output connections 1a . 1b connected output terminals of the power supply branches Z are galvanically connected together to form a neutral point and together form a reference potential rail 4 the power supply device 1 , The reference potential 4 This reference potential rail can be, for example, a ground potential. Even without further connection with an outside of the power supply device 1 lying reference potential, the potential of the connected to a neutral point ends of the power supply branches Z by definition as a reference potential 4 be determined.

Der Sternpunkt 2d der Maschine 2 ist über eine weitere Leitung 2c, die sogenannte Sternpunktleitung mit der Bezugspotentialschiene 4 der Energieversorgungseinrichtung verbunden.The star point 2d the machine 2 is over another line 2c , the so-called neutral point line with the reference potential rail 4 connected to the power supply device.

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

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

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

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

Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die Koppeleinrichtung 7 ist in 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d als MOSFET-Schalter, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen, oder IGBT-Schalter ausgebildet sind. Alternativ ist es möglich, jeweils nur zwei Koppelelemente 7a, 7d mit einem aktiven Schaltelement auszubilden, so dass – wie in 3 beispielhaft dargestellt – eine asymmetrische Halbbrückenschaltung realisiert wird.The energy storage cell modules 5 are via connection lines with input terminals of the associated coupling device 7 connected. The coupling device 7 is in 2 by way of example as a full bridge circuit with two coupling elements each 7a . 7c and two coupling elements 7b . 7d educated. The coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d can each have an active switching element, such as a semiconductor switch, and a parallel-connected freewheeling diode. It may be provided that the coupling elements 7a . 7b . 7c . 7d as MOSFET switches, which already have an intrinsic diode, or IGBT switches are formed. Alternatively, it is possible, in each case only two coupling elements 7a . 7d form with an active switching element, so that - as in 3 exemplified - an asymmetric half-bridge circuit is realized.

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

Beispielhaft dient das System 100 in 1 zur Speisung einer zweiphasigen elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. The system is exemplary 100 in 1 for feeding a two-phase electric machine 2 For example, in an electric drive system for an electrically powered vehicle. However, it can also be provided that the energy storage device 1 for generating electricity for a power grid 2 is used.

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

Eine derartige Energiespeichereinrichtung 1 wie in 1 gezeigt, weist an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b zu verschiedenen Zeitpunkten im Betrieb unterschiedliche Potentiale auf, und kann daher nicht ohne weiteres als Gleichspannungsquelle genutzt werden. Besonders in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge ist es häufig wünschenswert, das Bordnetz des Fahrzeugs, beispielsweise ein Hochvoltbordnetz oder ein Niedervoltbordnetz, aus der Energiespeichereinrichtung 1 zu speisen. Daher ist eine Gleichspannungsabgriffsanordnung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, an eine Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen zu werden, und gespeist von jener eine Gleichspannung, beispielsweise für das Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Gleichspannungsabgriffsanordnung bei geeigneter Ausführung genutzt werden, um mit Hilfe einer Ladeschaltung eine Ladestrom derart in einen oder mehrere der Energieversorgungszweige Z einzuspeisen, dass den Energiespeichermodulen 3 dieses einen oder dieser mehreren Energieversorgungszweige elektrische Energie aus der Ladeschaltung zugeführt wird.Such an energy storage device 1 as in 1 shown points at the output terminals 1a . 1b at different times during operation different potentials, and therefore can not be readily used as a DC voltage source. Particularly in electric drive systems of electrically powered vehicles, it is often desirable to have the vehicle electrical system of the vehicle, for example a high-voltage on-board electrical system or a low-voltage on-board electrical system, from the energy storage device 1 to dine. Therefore, a DC tap arrangement is provided which is adapted to an energy storage device 1 to be connected, and fed by that a DC voltage, for example, for the electrical system of an electrically powered vehicle to provide. Alternatively or additionally, such Gleichspannungsabgriffsanordnung be used in a suitable embodiment, with the aid of a charging circuit, a charging current in such a way in one or more of the energy supply branches Z feed that the energy storage modules 3 this one or more power supply branches electrical energy is supplied from the charging circuit.

Bei der in 1 gezeigten Ausführung der Energieversorgungseinrichtung 1 besteht jedoch die Einschränkung, dass bei geringen benötigten Phasenspannungen der elektrischen Maschine, also bei geringer Drehzahl dieser Maschine oder in deren Stillstand, nur geringe Potentialdifferenzen zwischen den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b sowie dem Bezugspotential 4 der Energiespeichereinrichtung 1 bestehen. In diesem Fall kann auch am Ausgang einer wie auch immer gearteten Gleichspannungsabgriffsanordnung nur eine Gleichspannung bereitgestellt werden, die sowohl zu gering ist, um aus ihr beispielsweise ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs zu speisen, als auch zu gering ist, um durch Einspeisen eines Ladestroms der Energieversorgungseinrichtung in nennenswertem Maße elektrische Energie aus einer Ladeschaltung zuzuführen. Bei Systemen, die keine Verbindung zwischen dem Sternpunkt 2d der elektrischen Maschine 2 und dem Bezugspotential 4 der Energieversorgungseinrichtung über eine Sternpunktleitung 2c aufweisen, können bei geringer benötigter Motorspannung die Ausgangsspannungen aller Energieversorgungszweige Z um einen einheitlichen Betrag angehoben oder abgesenkt werden. Dies hat keine Auswirkung auf die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, bewirkt aber, dass zwischen den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b und der Bezugspotentialschiene 4 eine Potentialdifferenz besteht, die ausreicht, um eine Gleichspannungsabgriffsanordnung zu speisen, so dass über diese beispielsweise ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Von dieser Möglichkeit kann insbesondere bei Systemen mit drei oder mehr Phasen Gebrauch gemacht werden, bei denen eine Anbindung des Sternpunkts 2d der elektrischen Maschine 2 an die Energieversorgungseinrichtung 1 nicht erforderlich ist.At the in 1 shown embodiment of the power supply device 1 However, there is the restriction that at low required phase voltages of the electric machine, ie at low speed of this machine or in their stoppage, only small potential differences between the output terminals 1a . 1b as well as the reference potential 4 the energy storage device 1 consist. In this case, only a DC voltage can be provided at the output of a DC voltage tap arrangement of whatever type, which is both too low to feed from it, for example, a vehicle electrical system of an electrically operated vehicle, as well as too low to supply by charging a charging current Energy supply device to supply significant electrical energy from a charging circuit. For systems that do not connect between the star point 2d the electric machine 2 and the reference potential 4 the power supply device via a neutral line 2c have, with low required motor voltage, the output voltages of all power supply branches Z can be raised or lowered by a uniform amount. This has no effect on the potential difference between the output terminals 1a . 1b , but causes that between the output terminals 1a . 1b and the reference potential rail 4 there is a potential difference which is sufficient to supply a direct current voltage tap arrangement, so that it can be supplied with electrical energy via this, for example, a vehicle electrical system of an electrically operated vehicle. This option can be used in particular in systems with three or more phases in which a connection of the star point 2d the electric machine 2 to the power supply device 1 is not required.

Bei einem System 100, wie es in 1 dargestellt ist, entfällt diese Möglichkeit. Bei einem solchen System führt eine einheitliche Anhebung oder Absenkung der Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige Z unmittelbar zu sehr hohen Kurzschlussströmen über die Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, und die Wicklung der elektrischen Maschine 2 zu deren Sternpunkt 2d und über die Sternpunktleitung 2c zurück zur Bezugspotentialschiene 4. Diese Kurzschlussströme sind nur durch den sehr geringen Ohmwiderstand der Wicklung der elektrischen Maschine begrenzt und würden innerhalb kurzer Zeit zu einer Zerstörung der elektrischen Maschine 2 oder der Energieversorgungseinrichtung 1 führen. Insbesondere bei Systemen mit zwei Phasen ist aber eine Anbindung des Sternpunkts 2d der elektrischen Maschine an die Energieversorgungseinrichtung 1 und insbesondere an deren Bezugspotentialschiene erforderlich. Die Folge davon ist aber, dass bei einem System 100, wie es in 1 dargestellt ist, im Stillstand der Maschine weder die Energie für ein Bordnetz eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden kann, noch ein Laden der Energieversorgungsmodule 3 der Energieversorgungseinrichtung 1 erfolgen kann, ohne dass die elektrische Maschine 2 durch eine aufwändige und teure Schalteinrichtung von der Energieversorgungseinrichtung 1 getrennt wird.In a system 100 as it is in 1 is shown eliminates this possibility. In such a system, a uniform increase or decrease of the output voltages of the power supply branches Z directly leads to very high short-circuit currents across the output terminals 1a . 1b , and the winding of the electric machine 2 to its star point 2d and via the neutral line 2c back to the reference potential rail 4 , These short-circuit currents are limited only by the very low ohmic resistance of the winding of the electric machine and would in a short time to destruction of the electric machine 2 or the power supply device 1 to lead. Especially with systems with two phases but is a connection of the star point 2d the electric machine to the power supply device 1 and in particular at the reference potential rail required. The consequence of this, however, is that in one system 100 as it is in 1 is shown, at standstill of the machine, neither the energy for a vehicle electrical system of a vehicle can be provided, nor charging the power modules 3 the power supply device 1 can be done without the electric machine 2 by a complex and expensive switching device from the power supply device 1 is disconnected.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, sowohl das Bereitstellen einer Bordnetzspannung als auch das Laden der Energieversorgungsmodule 3 der Energieversorgungseinrichtung 1 in allen Betriebszuständen der elektrischen Maschine 2 zu ermöglichen, und zwar insbesondere bei Systemen, bei denen der Sternpunkt 2d der elektrischen Maschine 2 galvanisch mit der Energieversorgungseinrichtung 1 verbunden ist.It is the object of the invention to provide both a vehicle electrical system voltage and the charging of the power supply modules 3 the power supply device 1 in all operating states of the electric machine 2 especially in systems where the star point 2d the electric machine 2 galvanic with the power supply device 1 connected is.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 200 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist erfindungsgemäß einen zusätzlichen Energieversorgungszweig Zs auf. Dieser stellt über eine seiner Ausgangsklemmen einen zusätzlichen Ausgangsanschluss 1c der Energieversorgungseinrichtung 1 bereit. Die andere Ausgangsklemme des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs ist mit der Bezugspotentialschiene 4 verbunden. Des Weiteren ist erfindungsgemäß der Sternpunkt 2d der elektrischen Maschine über die Sternpunktleitung statt mit der Bezugspotentialschiene 4 mit dem zu der durch den zusätzlichen Energieversorgungszweig Zs bereitgestellten Ausgangsanschluss 1c der Energieversorgungseinrichtung verbunden. Dadurch ist erreicht, dass das Potential des Sternpunkts 2d der elektrischen Maschine 2 nicht mehr auf das Bezugspotential 4 festgelegt ist, sondern durch die Ausgangsspannung des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs variiert werden kann. 4 shows a schematic representation of a system according to the invention 200 with an energy storage device 1 and a DC tap arrangement 8th , The power supply device 1 according to the invention has an additional power supply branch Zs. This provides an additional output connection via one of its output terminals 1c the power supply device 1 ready. The other output terminal of the additional power supply branch Zs is connected to the reference potential rail 4 connected. Furthermore, according to the invention the star point 2d the electrical machine via the star point line instead of the reference potential rail 4 with the output terminal provided by the additional power supply branch Zs 1c connected to the power supply device. This ensures that the potential of the neutral point 2d the electric machine 2 no longer on the reference potential 4 is fixed, but can be varied by the output voltage of the additional power supply branch Zs.

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

Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 weist eine erste Halbbrückenschaltung 9 auf, welche über die ersten Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Die ersten Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c können dabei beispielsweise an den Phasenleitungen 2a bzw. 2b des Systems 200 sowie an die Sternpunktleitung 2c gekoppelt sein. Die erste Halbbrückenschaltung 9 kann eine Vielzahl von ersten Dioden 9a aufweisen, die jeweils an einen der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt sind, so dass jeweils Anoden der Dioden 9a mit den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sternpunktleitung 2c gekoppelt sind. Die Kathoden der Dioden 9a können an einem gemeinsamen Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 zusammengeschaltet sein.The DC tap arrangement 8th has a first half-bridge circuit 9 on which via the first hunt groups 8a . 8b . 8c each with one of the output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 is coupled. The first hunt groups 8a . 8b . 8c can, for example, on the phase lines 2a respectively. 2 B of the system 200 as well as to the neutral line 2c be coupled. The first half-bridge circuit 9 can be a variety of first diodes 9a each having to one of the hunt groups 8a . 8b . 8c are coupled, so that each anodes of the diodes 9a with the phase lines 2a . 2 B or the neutral line 2c are coupled. The cathodes of the diodes 9a may be at a common collection point of the first half-bridge circuit 9 be interconnected.

Die erste Halbbrückenschaltung 9 kann weiterhin eine Vielzahl von ersten Halbleiterschaltern 9c umfassen, die jeweils in Reihe zu einer der Vielzahl von ersten Dioden 9a an einen der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt sind. Auf die ersten Dioden 9a kann alternativ auch verzichtet werden, wenn die Halbleiterschalter 9c als rückwärts sperrfähige Transistoren ausgebildet sind.The first half-bridge circuit 9 may further include a plurality of first semiconductor switches 9c each in series with one of the plurality of first diodes 9a to one of the hunt groups 8a . 8b . 8c are coupled. On the first diodes 9a Alternatively, it can also be dispensed with if the semiconductor switches 9c are formed as reverse blocking transistors.

Die ersten Halbleiterschalter 9c können den gemeinsamen Sammelpunkt selektiv mit ausgewählten der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c verbinden. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass an dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 jeweils das momentan höchste Potential der zugeschalteten Phasenleitungen 2a 2b bzw. der Sternpunktleitung 2c ansteht. Zusätzlich kann optional eine Vielzahl von ersten Kommutierungsdrosseln 9b vorgesehen sein, welche jeweils zwischen die ersten Halbleiterschalter 9c und den Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 gekoppelt sind. Die ersten Kommutierungsdrosseln 9b können dabei Potentialschwankungen, welche aufgrund von ansteuerungsbedingten stufigen Potentialwechseln in den jeweiligen Phasenleitungen 2a bzw. 2b oder der Sternpunktleitung 2c zeitweise auftreten können, abpuffern, so dass die ersten Dioden 9a und/oder ersten Halbleiterschalter 9c weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.The first semiconductor switches 9c can selectively select the common collection point with selected ones of the output ports 1a . 1b . 1c connect. This can be achieved, for example, that at the collection point of the half-bridge circuit 9 each time the highest potential of the switched phase lines 2a 2 B or the neutral line 2c pending. In addition, optionally, a plurality of first commutation chokes 9b be provided, which in each case between the first semiconductor switch 9c and the collection point of the first half-bridge circuit 9 are coupled. The first commutation chokes 9b can potential fluctuations, which due to control-related level potential changes in the respective phase lines 2a respectively. 2 B or the neutral line 2c may temporarily occur, buffering so that the first diodes 9a and / or first semiconductor switch 9c be less heavily burdened by frequent commutation.

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

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

Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kann weiterhin einen Zwischenkreiskondensator 13 aufweisen, welcher zwischen die Abgriffsanschlüsse 8e, 8f der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 geschaltet ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die vom Hochsetzsteller 14 ausgegebenen Strompulse zu puffern und so am Ausgang des Hochsetzstellers eine geglättete Gleichspannung UZK zu erzeugen. Über den Zwischenkreiskondensator 13 kann dann beispielsweise ein Gleichspannungswandler eines Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gespeist werden oder es kann dieses Bordnetz in bestimmten Fällen auch direkt an den Zwischenkreiskondensator 13 angeschlossen werden. Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 verfügt zusätzlich über einen Bezugsanschluss 8d, welcher mit einer Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist.The DC tap arrangement 8th can continue a DC link capacitor 13 which is between the tap connections 8e . 8f the DC voltage tap arrangement 8th is switched, and which is designed to that of the boost converter 14 to buffer output current pulses and so at the output of the boost converter to produce a smoothed DC voltage U ZK . Via the DC link capacitor 13 can then be fed, for example, a DC-DC converter of a vehicle electrical system of an electrically powered vehicle or it can in certain cases this vehicle electrical system also directly to the DC link capacitor 13 be connected. The DC tap arrangement 8th additionally has a reference connection 8d , which with a reference potential rail 4 the energy storage device 1 is coupled.

Das System 200 der 4 weist zudem eine Ladeschaltung 30 auf, welche Eingangsanschlüsse 36a, 36b aufweist, an denen eine Ladegleichspannung UN eingespeist werden kann. Die Ladegleichspannung UN kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Gleichspannungswandler, gesteuerte oder geregelte Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC, „power factor correction“) oder dergleichen. Die Ladegleichspannung UN kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 30 kann weiterhin einen Zwischenkreiskondensator 35 aufweisen, über welchem eine Gleichspannung abgreifbar ist und der die Rückwirkung von pulsierenden Strömen sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite der Ladeschaltung 30 oder von Schaltvorgängen in der Ladeschaltung 30 selbst auf die Ladegleichspannung UN erheblich reduziert. An Speiseknoten 37a und 37b der Ladeschaltung 30 kann eine Ausgangsspannung uL der Ladeschaltung 30 abgegriffen werden, welche einen Gleichanteil UL aufweist. UL wird im Folgenden auch als Ladegleichspannung bezeichnet.The system 200 of the 4 also has a charging circuit 30 on which input terminals 36a . 36b has, at which a DC charging voltage U N can be fed. The charging direct voltage U N can be generated by circuit arrangements (not shown), for example DC-DC converters, controlled or regulated rectifiers with power factor correction (PFC) or the like. The DC charging voltage U N can be provided for example by a power supply network connected on the input side. The charging circuit 30 can continue a DC link capacitor 35 over which a DC voltage can be tapped and the reaction of pulsating currents both on the input and on the output side of the charging circuit 30 or switching operations in the charging circuit 30 even considerably reduced to the charging DC voltage U N. At feeding knots 37a and 37b the charging circuit 30 may be an output voltage u L of the charging circuit 30 be tapped, which has a DC component U L. U L is hereinafter also referred to as DC charging voltage.

Die Speiseknoten 37a und 37b sind dabei mit dem Hochsetzsteller 14 einerseits und der Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 andererseits gekoppelt. Die Ladeschaltung 30 dient dabei dem Laden der an den Speiseknoten 37a und 37b angeschlossenen Energiespeichereinrichtung 1. Insbesondere kann durch das selektive Schalten der Halbleiterschalter 9c der Ladegleichstrom IL in einen oder mehrere der Energieversorgungszweige Z und damit in die zugehörigen Energiespeichermodule 3 wie in den 1 bis 3 dargestellt eingespeist werden.The feeding knots 37a and 37b are doing with the boost converter 14 on the one hand and the reference potential rail 4 the energy storage device 1 coupled on the other hand. The charging circuit 30 serves the loading of the to the feeding node 37a and 37b connected energy storage device 1 , In particular, by the selective switching of the semiconductor switch 9c the charging direct current I L in one or more of the energy supply branches Z and thus in the associated energy storage modules 3 like in the 1 to 3 be fed shown.

Die Ladeschaltung 30 weist einen Halbleiterschalter 33 und eine Freilaufdiode 32 auf, welche zusammen mit der Wandlerdrossel 10 einen Tiefsetzsteller implementieren. Es ist dabei selbstverständlich, dass die Anordnung des Halbleiterschalters 33 in den jeweiligen Strompfaden der Ladeschaltung 30 variiert werden kann, so dass beispielsweise der Halbleiterschalter 33 auch zwischen dem Speiseknoten 37b und dem Eingangsanschluss 36b angeordnet werden kann. Als Stellgröße für den durch die Wandlerdrossel 10 fließenden Ladestrom IL kann beispielsweise die Ausgangsspannung eines zu ladenden Energiespeichermoduls 3 oder alternativ das über den Halbleiterschalter 33 implementierte Tastverhältnis des Tiefsetzstellers dienen. Es kann auch möglich sein, die am Zwischenkreiskondensator 35 anstehende Eingangsspannung UN als Stellgröße für den Ladestrom IL zu verwenden.The charging circuit 30 has a semiconductor switch 33 and a freewheeling diode 32 on which together with the converter choke 10 implement a buck converter. It goes without saying that the arrangement of the semiconductor switch 33 in the respective current paths of the charging circuit 30 can be varied, so that, for example, the semiconductor switch 33 also between the feeding knot 37b and the input terminal 36b can be arranged. As a manipulated variable for the through the converter choke 10 flowing charging current I L , for example, the output voltage of an energy storage module to be charged 3 or alternatively via the semiconductor switch 33 Implemented duty cycle of the buck converter serve. It may also be possible to use the DC link capacitor 35 Pending input voltage U N to use as a control variable for the charging current I L.

Der Tiefsetzsteller kann beispielsweise auch in einem Betriebszustand mit dem konstanten Tastverhältnis von 1 betrieben werden, so dass der Halbleiterschalter 33 dauerhaft geschlossen bleiben kann. Es kann dabei auch möglich sein, auf den Halbleiterschalter 33 und den Freilaufpfad mit der Freilaufdiode 32 zu verzichten.The buck converter can, for example, in an operating state with the constant duty cycle of 1 be operated so that the semiconductor switch 33 can remain permanently closed. It may also be possible on the semiconductor switch 33 and the freewheeling path with the freewheeling diode 32 to renounce.

Die Ladeschaltung 30 ist über die Speiseknoten 37a und 37b an die Energiespeichereinrichtung 1 angebunden. Um die Energiespeichereinrichtung 1 während des Spannungserzeugungsbetriebs zu laden, muss die Ladegleichspannung UL zwischen den Speiseknoten 37a und 37b im Mittel höher als der Mittelwert UDC der Spannung uDC sein. Wenn die Halbleiterschalter 9c jeweils dauerhaft leitend geschaltet sind, fließt der Ladestrom IL jeweils über den Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c, an dem temporär gerade das höchste Potential ansteht. Im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1, also beispielsweise im Fahrbetrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, welches das Antriebssystem 200 nutzt, ist dieses höchste Potential positiv gegenüber dem an der Bezugspotentialschiene 4 anstehenden Potential. Dadurch wird dem jeweiligen Energieversorgungszweig Z zusätzliche Energie entzogen und ein Laden während des Fahrbetriebs ist unmöglich.The charging circuit 30 is about the feeding knots 37a and 37b to the energy storage device 1 tethered. To the energy storage device 1 during the voltage generating operation, the DC charging voltage U L between the supply node 37a and 37b on average higher than the mean value U DC of the voltage u DC . When the semiconductor switches 9c are switched permanently conductive, the charging current I L flows through the output terminal 1a . 1b or 1c , where temporarily the highest potential is present. In the voltage generating operation of the energy storage device 1 So, for example, when driving an electrically powered vehicle, which is the drive system 200 uses, this highest potential is positive compared to that at the reference potential rail 4 upcoming potential. As a result, the respective power supply branch Z additional energy is removed and charging during driving is impossible.

Es ist daher vorgesehen, diejenigen Halbleiterschalter 9c, welche die Ladeschaltung 30 mit einem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c positiven Ausgangspotentials verbinden würden, temporär zu sperren. Insbesondere kann nur derjenige Halbleiterschalter 9c, welcher die Ladeschaltung 30 mit dem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c des momentan niedrigsten Ausgangspotentials verbindet, geschlossen werden. Dieses niedrigste Ausgangspotential ist im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1 im Regelfall negativ gegenüber dem Bezugspotential der Bezugspotentialschiene 4. Dadurch kann der Ladestrom IL selektiv in die Energiespeichermodule 3 eines Energiespeicherzweigs Z bzw. Zs der Energiespeichereinrichtung 1 gespeist werden, der aufgrund seiner negativen Ausgangsspannung gerade ladebereit ist.It is therefore intended to those semiconductor switches 9c showing the charging circuit 30 with an output terminal 1a . 1b or 1c positive output potential, temporarily disable. In particular, only one semiconductor switch can 9c which the charging circuit 30 with the output connector 1a . 1b or 1c the currently lowest output potential connects, be closed. This lowest output potential is in the voltage generating operation of the energy storage device 1 as a rule negative with respect to the reference potential of the reference potential rail 4 , This allows the charging current I L selectively in the energy storage modules 3 an energy storage branch Z or Zs of the energy storage device 1 be fed, which is just ready to charge due to its negative output voltage.

Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 9c der Halbbrückenschaltung 9 kann beispielsweise durch die Steuereinrichtung 6 der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen.The control of the semiconductor switch 9c the half-bridge circuit 9 For example, by the control device 6 the energy storage device 1 respectively.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 300 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Das System 300 unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten System 200 im Wesentlichen darin, dass die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 und die Ladeschaltung 30 mit inverser Polarität mit der Bezugspotentialschiene 4 bzw. der Halbbrückenschaltung 9 verbunden sind. Insbesondere sind der erste Speiseknoten 37a mit dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und der zweite Speiseknoten 37b mit dem Hochsetzsteller 14 gekoppelt. Die Wandlerdrossel 10 ist über den Bezugsanschluss 8d mit der Bezugspotentialschiene 4 gekoppelt. 5 shows a schematic representation of a system 300 with an energy storage device 1 and a DC tap arrangement 8th , The system 300 is different from the one in 4 shown system 200 essentially in that the DC tap arrangement 8th and the charging circuit 30 with inverse polarity with the reference potential rail 4 or the half-bridge circuit 9 are connected. In particular, the first feeding node 37a with the collection point of the half-bridge circuit 9 and the second feeding node 37b with the boost converter 14 coupled. The converter choke 10 is above the reference terminal 8d with the reference potential rail 4 coupled.

Der Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 ist durch die inverse Verschaltung der Halbleiterschalter 9c und/oder der Dioden 9a nicht wie in 4 als Kathodensammelpunkt, sondern als Anodensammelpunkt ausgestaltet. Für die Funktionalität der Halbleiterschalter 9c in 5 gilt entsprechendes wie für 4 ausgeführt.The collection point of the half-bridge circuit 9 is due to the inverse interconnection of the semiconductor switches 9c and / or the diodes 9a not like in 4 as a cathode collection point, but designed as Anodensammelpunkt. For the functionality of the semiconductor switches 9c in 5 the same applies as for 4 executed.

Um die Energiespeichereinrichtung 1 während des Spannungserzeugungsbetriebs zu laden, muss die Ladegleichspannung UL zwischen den Speiseknoten 37a und 37b im Mittel höher als der Mittelwert UDC der Gleichspannung uDC sein. Wenn die Halbleiterschalter 9c jeweils dauerhaft leitend geschaltet sind, fließt der Ladestrom IL jeweils über den Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c, an dem temporär gerade das niedrigste Potential ansteht. Im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1, also beispielsweise im Fahrbetrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, welches das Antriebssystem 300 nutzt, ist dieses niedrigste Potential negativ gegenüber dem an der Bezugspotentialschiene 4 anstehenden Potential. Dadurch wird dem jeweiligen Energieversorgungszweig Z zusätzliche Energie entzogen und ein Laden während des Fahrbetriebs ist unmöglich. To the energy storage device 1 during the voltage generating operation, the DC charging voltage U L between the supply node 37a and 37b on average higher than the mean value U DC of the DC voltage u DC . When the semiconductor switches 9c are switched permanently conductive, the charging current I L flows through the output terminal 1a . 1b or 1c , where temporarily the lowest potential is present. In the voltage generating operation of the energy storage device 1 So, for example, when driving an electrically powered vehicle, which is the drive system 300 is used, this lowest potential is negative compared to that at the reference potential rail 4 upcoming potential. As a result, the respective power supply branch Z additional energy is removed and charging during driving is impossible.

Es ist daher vorgesehen, diejenigen Halbleiterschalter 9c, welche die Ladeschaltung 30 mit einem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c negativen Ausgangspotentials verbinden würden, temporär zu sperren. Insbesondere kann nur derjenige Halbleiterschalter 9c, welcher die Ladeschaltung 30 mit dem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c des momentan höchsten Ausgangspotentials verbindet, geschlossen werden. Dieses höchste Ausgangspotential ist im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1 im Regelfall positiv gegenüber dem Bezugspotential der Bezugspotentialschiene 4. Dadurch kann der Ladestrom IL selektiv in die Energiespeichermodule 3 eines Energiespeicherzweigs Z bzw. Zs der Energiespeichereinrichtung 1 gespeist werden, der aufgrund seiner positiven Ausgangsspannung gerade ladebereit ist.It is therefore intended to those semiconductor switches 9c showing the charging circuit 30 with an output terminal 1a . 1b or 1c negative output potential would temporarily lock. In particular, only one semiconductor switch can 9c which the charging circuit 30 with the output connector 1a . 1b or 1c the currently highest output potential connects, be closed. This highest output potential is in the voltage generating operation of the energy storage device 1 as a rule, positive with respect to the reference potential of the reference potential rail 4 , This allows the charging current I L selectively in the energy storage modules 3 an energy storage branch Z or Zs of the energy storage device 1 be fed, which is just ready to charge due to its positive output voltage.

Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 9c der Halbbrückenschaltung 9 kann beispielsweise durch die Steuereinrichtung 6 der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen.The control of the semiconductor switch 9c the half-bridge circuit 9 For example, by the control device 6 the energy storage device 1 respectively.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 400 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer solchen Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 ist mit der Energiespeichereinrichtung 1 über erste Sammelanschlüsse 8a, 8b und 8c einerseits und über den Bezugspotentialanschluss 8d andererseits gekoppelt. An Abgriffsanschlüssen 8e und 8f kann eine Gleichspannung UZK der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 abgegriffen werden. An den Abgriffsanschlüssen 8e und 8f kann beispielsweise ein (nicht gezeigter) Gleichspannungswandler für ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeschlossen werden oder es kann – bei geeignetem Abgleich zwischen der Spannung UZK zwischen den Abgriffsanschlüssen 8e und 8f und der Bordnetzspannung – dieses Bordnetz direkt angeschlossen werden. 6 shows a schematic representation of a system 400 with an energy storage device 1 and such a DC tap arrangement 8th , The DC tap arrangement 8th is with the energy storage device 1 over first hunt connections 8a . 8b and 8c on the one hand and via the reference potential connection 8d coupled on the other hand. At tap connections 8e and 8f may be a DC voltage U ZK of the DC voltage tap arrangement 8th be tapped. At the tap connections 8e and 8f For example, a (not shown) DC-DC converter for an electrical system of an electrically operated vehicle can be connected or it can - with a suitable balance between the voltage U ZK between the Abgriffsanschlüssen 8e and 8f and the vehicle electrical system voltage - this electrical system can be connected directly.

Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 weist eine erste Halbbrückenschaltung 9 auf, welche über die ersten Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Die ersten Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c können dabei beispielsweise an den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. an die Sternpunktleitung 2c des Systems 400 gekoppelt sein. Die erste Halbbrückenschaltung 9 kann eine Vielzahl von ersten Dioden 9a aufweisen, die jeweils an einen der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt sind, so dass jeweils Anoden der Dioden 9a mit den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sternpunktleitung 2c gekoppelt sind. Die Kathoden der Dioden 9a können an einem gemeinsamen Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 zusammengeschaltet sein.The DC tap arrangement 8th has a first half-bridge circuit 9 on which via the first hunt groups 8a . 8b . 8c each with one of the output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 is coupled. The first hunt groups 8a . 8b . 8c can, for example, on the phase lines 2a . 2 B or to the neutral line 2c of the system 400 be coupled. The first half-bridge circuit 9 can be a variety of first diodes 9a each having to one of the hunt groups 8a . 8b . 8c are coupled, so that each anodes of the diodes 9a with the phase lines 2a . 2 B or the neutral line 2c are coupled. The cathodes of the diodes 9a may be at a common collection point of the first half-bridge circuit 9 be interconnected.

Die erste Halbbrückenschaltung 9 umfasst weiterhin eine Vielzahl von ersten Halbleiterschaltern 9c, die jeweils in Reihe zu einer der Vielzahl von ersten Dioden 9a an einen der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt sind. Auf die ersten Dioden 9a kann alternativ auch verzichtet werden, wenn die Halbleiterschalter 9c als rückwärts sperrfähige Transistoren ausgebildet sind.The first half-bridge circuit 9 further comprises a plurality of first semiconductor switches 9c , each in series with one of the plurality of first diodes 9a to one of the hunt groups 8a . 8b . 8c are coupled. On the first diodes 9a Alternatively, it can also be dispensed with if the semiconductor switches 9c are formed as reverse blocking transistors.

Die ersten Halbleiterschalter 9c können den gemeinsamen Sammelpunkt selektiv mit ausgewählten der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c bzw. Phasenleitungen 2a, 2b, oder der Sternpunktleitung 2c verbinden. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass an dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 jeweils das momentan höchste Potential der zugeschalteten Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sternpunktleitung 2c ansteht. Zusätzlich kann optional eine Vielzahl von ersten Kommutierungsdrosseln 9b vorgesehen sein, welche jeweils zwischen die ersten Halbleiterschalter 9c und den Sammelpunkt der ersten Halbbrückenschaltung 9 gekoppelt sind. Die ersten Kommutierungsdrosseln 9b können dabei Potentialschwankungen, welche aufgrund von ansteuerungsbedingten stufigen Potentialwechseln in den jeweiligen Phasenleitungen 2a, 2b und der Sternpunktleitung 2c zeitweise auftreten können, abpuffern, so dass die ersten Dioden 9a und/oder ersten Halbleiterschalter 9c weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.The first semiconductor switches 9c can selectively select the common collection point with selected ones of the output ports 1a . 1b . 1c or phase lines 2a . 2 B , or the neutral line 2c connect. This can be achieved, for example, that at the collection point of the half-bridge circuit 9 each time the highest potential of the switched phase lines 2a . 2 B or the neutral line 2c pending. In addition, optionally, a plurality of first commutation chokes 9b be provided, which in each case between the first semiconductor switch 9c and the collection point of the first half-bridge circuit 9 are coupled. The first commutation chokes 9b can potential fluctuations, which due to control-related level potential changes in the respective phase lines 2a . 2 B and the neutral point line 2c may temporarily occur, buffering so that the first diodes 9a and / or first semiconductor switch 9c be less heavily burdened by frequent commutation.

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

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

Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 kann weiterhin einen Zwischenkreiskondensator 13 aufweisen, welcher zwischen die Abgriffsanschlüsse 8e, 8f der Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 geschaltet ist, und welcher dazu ausgelegt ist, die vom Hochsetzsteller 14 ausgegebenen Strompulse zu puffern und so am Ausgang des Hochsetzstellers eine geglättete Gleichspannung UZK zu erzeugen. Über den Zwischenkreiskondensator 13 kann dann beispielsweise ein Gleichspannungswandler eines Bordnetzes eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gespeist werden oder es kann dieses Bordnetz in bestimmten Fällen auch direkt an den Zwischenkreiskondensator 13 angeschlossen werden. Die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 verfügt zusätzlich über einen Bezugsanschluss 8d, welcher mit einer Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist.The DC tap arrangement 8th can continue a DC link capacitor 13 which is between the tap connections 8e . 8f the DC voltage tap arrangement 8th is switched, and which is designed to that of the boost converter 14 to buffer output current pulses and so at the output of the boost converter to produce a smoothed DC voltage U ZK . Via the DC link capacitor 13 can then be fed, for example, a DC-DC converter of a vehicle electrical system of an electrically powered vehicle or it can in certain cases this vehicle electrical system also directly to the DC link capacitor 13 be connected. The DC tap arrangement 8th additionally has a reference connection 8d , which with a reference potential rail 4 the energy storage device 1 is coupled.

Das System 400 der 6 weist zudem eine Ladeschaltung 40 auf, welche Eingangsanschlüsse 46a, 46b aufweist, an denen eine Ladewechselspannung uch eingespeist werden kann. Die Ladewechselspannung uch kann dabei durch (nicht gezeigte) Schaltungsanordnungen erzeugt werden, beispielsweise Wechselrichtervollbrücken oder dergleichen. Die Ladewechselspannung uch weist vorzugsweise einen rechteckförmigen, lückenden oder nicht lückenden Verlauf und eine hohe Grundfrequenz auf. Die Ladewechselspannung uch kann beispielsweise durch ein eingangsseitig angeschlossenes Energieversorgungsnetz oder den Generator eines sogenannten Range-Extenders mit jeweils nachgeschalteter Wechsel- oder Umrichterschaltung bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 40 kann weiterhin einen Transformator 45 aufweisen, dessen Primärwicklung mit den Eingangsanschlüssen 46a, 46b gekoppelt ist. Die Sekundärwicklung des Transformators 45 kann mit einer Vollbrückengleichrichterschaltung 44 aus vier Dioden gekoppelt sein, an deren Ausgang eine pulsierende Gleichspannung abgegriffen werden kann. Eine Variation der Intervalllänge der pulsierenden Gleichspannung kann über eine Variation der Zeitintervalle erfolgen, in denen die an der Primärwicklung des Transformators 45 anliegende Ladewechselspannung uch und damit auch die entsprechende Sekundärspannung an der Sekundärwicklung des Transformators 45 den Wert 0 aufweisen. Die Ladeschaltung 40 dient dabei dem Laden der an den Speiseknoten 47a und 47b angeschlossenen Energiespeichereinrichtung 1. Insbesondere kann durch das selektive Schalten der Halbleiterschalter 9c der Ladegleichstrom IL in einen oder mehrere der Energieversorgungszweige Z und damit in die zugehörigen Energiespeichermodule 3 wie in den 1 bis 3 dargestellt eingespeist werden.The system 400 of the 6 also has a charging circuit 40 on which input terminals 46a . 46b has, at which a charging AC voltage ch can be fed. The charging AC voltage u ch can be generated by (not shown) circuit arrangements, such as inverter full-bridges or the like. The charging AC voltage u ch preferably has a rectangular, gaping or non-gaping course and a high fundamental frequency. The charging AC voltage u ch can be provided, for example, by a power supply network connected on the input side or the generator of a so-called range extender, each with a downstream AC or converter circuit. The charging circuit 40 can continue a transformer 45 whose primary winding with the input terminals 46a . 46b is coupled. The secondary winding of the transformer 45 can with a full bridge rectifier circuit 44 be coupled from four diodes, at the output of a pulsating DC voltage can be tapped. A variation of the interval length of the pulsating DC voltage can be done via a variation of the time intervals in which the on the primary winding of the transformer 45 applied load AC voltage U is CH and thus the corresponding secondary voltage across the secondary winding of the transformer 45 have the value 0. The charging circuit 40 serves the loading of the to the feeding node 47a and 47b connected energy storage device 1 , In particular, by the selective switching of the semiconductor switch 9c the charging direct current I L in one or more of the energy supply branches Z and thus in the associated energy storage modules 3 like in the 1 to 3 be fed shown.

Die Ladeschaltung 40 weist eine Freilaufdiode 42 auf, wobei die Wandlerdrossel 10 des Hochsetzstellers 14 zur Glättung der von der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 bereitgestellten pulsierenden Gleichspannung dient. Als Stellgröße für den durch die Wandlerdrossel 10 fließenden Ladestrom IL kann beispielsweise die Ausgangsspannung einer zu ladenden Energiespeicheranordnung, beispielsweise einer Reihe von Energiespeichermodulen 3 oder eines Zweigs der Energiespeichereinrichtung 1 wie in den 1 bis 3 dargestellt, oder alternativ der Gleichanteil UL der pulsierenden Gleichspannung uL verwendet werden.The charging circuit 40 has a freewheeling diode 42 on, with the converter choke 10 of the boost converter 14 for smoothing the full-bridge rectifier circuit 44 provided pulsating DC voltage is used. As a manipulated variable for the through the converter choke 10 flowing charging current I L , for example, the output voltage of an energy storage device to be charged, for example, a number of energy storage modules 3 or a branch of the energy storage device 1 like in the 1 to 3 represented, or alternatively, the DC component U L of the pulsating DC voltage u L can be used.

In einer weiteren Ausführungsform kann auf die Freilaufdiode 42 ersatzlos verzichtet werden. In diesem Fall übernehmen die Dioden der Vollbrückengleichrichterschaltung 44 die Funktion der Freilaufdiode 42 zusätzlich. Dadurch wird ein Bauelement gespart, im Gegenzug aber der Wirkungsgrad der Ladeschaltung 40 verringert.In a further embodiment may be on the freewheeling diode 42 be dispensed without replacement. In this case, the diodes adopt the full-bridge rectifier circuit 44 the function of the freewheeling diode 42 additionally. As a result, a component is saved, in return, however, the efficiency of the charging circuit 40 reduced.

Die Ladeschaltung 40 ist über die Speiseknoten 47a und 47b an die Energiespeichereinrichtung 1 angebunden. Um die Energiespeichereinrichtung 1 während des Spannungserzeugungsbetriebs zu laden, muss die der Gleichanteil der Spannung uL zwischen den Speiseknoten 47a und 47b, also die Ladegleichspannung UL, im Mittel höher als der Mittelwert UDC der Spannung uDC sein. Wenn die Halbleiterschalter 9c jeweils dauerhaft leitend geschaltet sind, fließt der Ladestrom IL jeweils über den Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c, an dem temporär gerade das höchste Potential ansteht. Im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1, also beispielsweise im Fahrbetrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, welches das Antriebssystem 400 nutzt, ist dieses höchste Potential positiv gegenüber dem an der Bezugspotentialschiene 4 anstehenden Potential. Dadurch wird dem jeweiligen Energieversorgungszweig Z zusätzliche Energie entzogen und ein Laden während des Fahrbetriebs ist unmöglich.The charging circuit 40 is about the feeding knots 47a and 47b to the energy storage device 1 tethered. To the energy storage device 1 during the voltage generating operation, must be the DC component of the voltage u L between the supply node 47a and 47b , So the DC charging voltage U L , be higher than the mean value U DC of the voltage u DC on average. When the semiconductor switches 9c are switched permanently conductive, the charging current I L flows through the output terminal 1a . 1b or 1c , where temporarily the highest potential is present. In the voltage generating operation of the energy storage device 1 So, for example, when driving an electrically powered vehicle, which is the drive system 400 uses, this highest potential is positive compared to that at the reference potential rail 4 upcoming potential. As a result, the respective power supply branch Z additional energy is removed and charging during driving is impossible.

Es ist daher vorgesehen, diejenigen Halbleiterschalter 9c, welche die Ladeschaltung 40 mit einem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c positiven Ausgangspotentials verbinden würden, temporär zu sperren. Insbesondere kann nur derjenige Halbleiterschalter 9c, welcher die Ladeschaltung 40 mit dem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c des momentan niedrigsten Ausgangspotentials verbindet, geschlossen werden. Dieses niedrigste Ausgangspotential ist im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1 im Regelfall negativ gegenüber dem Bezugspotential der Bezugspotentialschiene 4. Dadurch kann der Ladestrom IL selektiv in die Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z bzw. Zs der Energiespeichereinrichtung 1 gespeist werden, der aufgrund seiner negativen Ausgangsspannung gerade ladebereit ist.It is therefore intended to those semiconductor switches 9c showing the charging circuit 40 with an output terminal 1a . 1b or 1c positive output potential, temporarily disable. In particular, only one semiconductor switch can 9c which the charging circuit 40 with the output connector 1a . 1b or 1c the currently lowest output potential connects, be closed. This lowest output potential is in the voltage generating operation of the energy storage device 1 as a rule negative with respect to the reference potential of the reference potential rail 4 , This allows the charging current I L selectively in the energy storage modules 3 a power supply branch Z or Zs of the energy storage device 1 be fed, which is just ready to charge due to its negative output voltage.

Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 9c der Halbbrückenschaltung 9 kann beispielsweise durch die Steuereinrichtung 6 der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen.The control of the semiconductor switch 9c the half-bridge circuit 9 For example, by the control device 6 the energy storage device 1 respectively.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 500 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8. Das System 500 unterscheidet sich von dem in 6 gezeigten System 400 im Wesentlichen darin, dass die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 und die Ladeschaltung 40 mit inverser Polarität mit der Bezugspotentialschiene 4 bzw. der Halbbrückenschaltung 9 verbunden sind. Insbesondere sind der erste Speiseknoten 47a mit dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 und der zweite Speiseknoten 47b mit dem Tiefsetzsteller 14 gekoppelt. Die Wandlerdrossel 10 ist über den Bezugsanschluss 8d mit der Bezugspotentialschiene 4 gekoppelt. 7 shows a schematic representation of a system 500 with an energy storage device 1 and a DC tap arrangement 8th , The system 500 is different from the one in 6 shown system 400 essentially in that the DC tap arrangement 8th and the charging circuit 40 with inverse polarity with the reference potential rail 4 or the half-bridge circuit 9 are connected. In particular, the first feeding node 47a with the collection point of the half-bridge circuit 9 and the second feeding node 47b with the buck converter 14 coupled. The converter choke 10 is above the reference terminal 8d with the reference potential rail 4 coupled.

Der Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 9 ist durch die inverse Verschaltung der Halbleiterschalter 9c und/oder der Dioden 9a nicht wie in 6 als Kathodensammelpunkt, sondern als Anodensammelpunkt ausgestaltet. Für die Funktionalität der Halbleiterschalter 9c in 7 gilt entsprechendes wie für 6 ausgeführt.The collection point of the half-bridge circuit 9 is due to the inverse interconnection of the semiconductor switches 9c and / or the diodes 9a not like in 6 as a cathode collection point, but designed as Anodensammelpunkt. For the functionality of the semiconductor switches 9c in 7 the same applies as for 6 executed.

Um die Energiespeichereinrichtung 1 während des Spannungserzeugungsbetriebs zu laden, muss die Ladegleichspannung UL zwischen den Speiseknoten 47a und 47b höher als der Mittelwert UDC der Spannung uDC sein. Wenn die Halbleiterschalter 9c jeweils dauerhaft leitend geschaltet sind, fließt der Ladestrom IL jeweils über den Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c, an dem temporär gerade das niedrigste Potential ansteht. Im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1, also beispielsweise im Fahrbetrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, welches das Antriebssystem 500 nutzt, ist dieses niedrigste Potential negativ gegenüber dem an der Bezugspotentialschiene 4 anstehenden Potential. Dadurch wird dem jeweiligen Energieversorgungszweig Z zusätzliche Energie entzogen und ein Laden während des Fahrbetriebs ist unmöglich.To the energy storage device 1 during the voltage generating operation, the DC charging voltage U L between the supply node 47a and 47b higher than the mean U DC of the voltage u DC . When the semiconductor switches 9c are switched permanently conductive, the charging current I L flows through the output terminal 1a . 1b or 1c , where temporarily the lowest potential is present. In the voltage generating operation of the energy storage device 1 So, for example, when driving an electrically powered vehicle, which is the drive system 500 is used, this lowest potential is negative compared to that at the reference potential rail 4 upcoming potential. As a result, the respective power supply branch Z additional energy is removed and charging during driving is impossible.

Es ist daher vorgesehen, diejenigen Halbleiterschalter 9c, welche die Ladeschaltung 30 mit einem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c negativen Ausgangspotentials verbinden würden, temporär zu sperren. Insbesondere kann nur derjenige Halbleiterschalter 9c, welcher die Ladeschaltung 40 mit dem Ausgangsanschluss 1a, 1b oder 1c des momentan höchsten Ausgangspotentials verbindet, geschlossen werden. Dieses höchste Ausgangspotential ist im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1 im Regelfall positiv gegenüber dem Bezugspotential der Bezugspotentialschiene 4. Dadurch kann der Ladestrom IL selektiv in die Energiespeichermodule 3 eines Energiespeicherzweigs Z bzw. Zs der Energiespeichereinrichtung 1 gespeist werden, der aufgrund seiner positiven Ausgangsspannung gerade ladebereit ist.It is therefore intended to those semiconductor switches 9c showing the charging circuit 30 with an output terminal 1a . 1b or 1c negative output potential would temporarily lock. In particular, only one semiconductor switch can 9c which the charging circuit 40 with the output connector 1a . 1b or 1c the currently highest output potential connects, be closed. This highest output potential is in the voltage generating operation of the energy storage device 1 as a rule, positive with respect to the reference potential of the reference potential rail 4 , This allows the charging current I L selectively in the energy storage modules 3 an energy storage branch Z or Zs of the energy storage device 1 be fed, which is just ready to charge due to its positive output voltage.

Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 9c der Halbbrückenschaltung 9 kann beispielsweise durch die Steuereinrichtung 6 der Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen.The control of the semiconductor switch 9c the half-bridge circuit 9 For example, by the control device 6 the energy storage device 1 respectively.

8 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 600 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 sowie einer Ladeschaltung 30. Das System 600 unterscheidet sich im Wesentlichen von dem System 200 der 4 darin, dass die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 eine zweite Halbbrückenschaltung 15 aufweist, welche über die zweiten Sammelanschlüsse 8g, 8h, 8i jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt ist. Die zweiten Sammelanschlüsse 8g, 8h, 8i können dabei beispielsweise an die Phasenleitungen 2a, 2b bzw. an die Sternpunktleitung 2c des Systems 600 gekoppelt sein. Die zweite Halbbrückenschaltung 15 kann eine Vielzahl von zweiten Dioden 15a aufweisen, die jeweils an einen der zweiten Sammelanschlüsse 8g, 8h, 8i gekoppelt sind, so dass jeweils Kathoden der Dioden 15a mit den Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sternpunktleitung 2c gekoppelt sind. Die Anoden der Dioden 15a können an einem gemeinsamen Sammelpunkt der zweiten Halbbrückenschaltung 15 zusammengeschaltet sein. 8th shows a schematic representation of a system 600 with an energy storage device 1 and a DC tap arrangement 8th and a charging circuit 30 , The system 600 is essentially different from the system 200 of the 4 in that the DC tap arrangement 8th a second half-bridge circuit 15 which, via the second hunt groups 8g . 8h . 8i each with one of the output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 is coupled. The second hunt groups 8g . 8h . 8i can, for example, to the phase lines 2a . 2 B or to the neutral line 2c of the system 600 be coupled. The second half-bridge circuit 15 can be a variety of second diodes 15a each having to one of the second hunt groups 8g . 8h . 8i are coupled, so that each cathode of the diodes 15a with the phase lines 2a . 2 B or the neutral line 2c are coupled. The anodes of the diodes 15a can at a common collection point of the second half-bridge circuit 15 be interconnected.

Die zweite Halbbrückenschaltung 15 umfasst weiterhin eine Vielzahl von zweiten Halbleiterschaltern 15c, die jeweils in Reihe zu einer der Vielzahl von zweiten Dioden 15a an einen der Sammelanschlüsse 8a, 8b, 8c gekoppelt sind. Auf die zweiten Dioden 15a kann alternativ auch verzichtet werden, wenn die Halbleiterschalter 15c als rückwärts sperrfähige Transistoren ausgebildet sind.The second half-bridge circuit 15 further comprises a plurality of second semiconductor switches 15c , each in series to one of the multiplicity of second diodes 15a to one of the hunt groups 8a . 8b . 8c are coupled. On the second diodes 15a Alternatively, it can also be dispensed with if the semiconductor switches 15c are formed as reverse blocking transistors.

Die zweiten Halbleiterschalter 15c können den gemeinsamen Sammelpunkt selektiv mit ausgewählten der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c bzw. der Phasenleitungen 2a, 2b, oder der Sternpunktleitung 2c verbinden. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass an dem Sammelpunkt der Halbbrückenschaltung 15 jeweils das momentan höchste Potential der zugeschalteten Phasenleitungen 2a, 2b bzw. der Sternpunktleitung 2c ansteht. Die zweiten Kommutierungsdrosseln 15b können dabei Potentialschwankungen, welche aufgrund von ansteuerungsbedingten stufigen Potentialwechseln in den jeweiligen Phasenleitungen 2a, 2b und der Sternpunktleitung 2c zeitweise auftreten können, abpuffern, so dass die zweiten Dioden 15 weniger stark durch häufige Kommutierungsvorgänge belastet werden.The second semiconductor switch 15c can selectively select the common collection point with selected ones of the output ports 1a . 1b . 1c or the phase lines 2a . 2 B , or the neutral line 2c connect. This can be achieved, for example, that at the collection point of the half-bridge circuit 15 each time the highest potential of the switched phase lines 2a . 2 B or the neutral line 2c pending. The second commutation chokes 15b can potential fluctuations, which due to control-related level potential changes in the respective phase lines 2a . 2 B and the neutral point line 2c temporarily may bump off, leaving the second diodes 15 be less heavily burdened by frequent commutation.

Die ersten und zweiten Halbbrückenschaltungen 9 und 15 bilden zusammen einen Vollbrückengleichrichter, welcher es ermöglicht, zwei der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c bzw. Phasenleitungen 2a, 2b, und Sternpunktleitung 2c mit der höchsten momentanen Potentialdifferenz gegeneinander zu schalten. Durch entsprechende Wahl der sperrenden bzw. geschlossenen Halbleiterschalter 9c und 15c kann weiterhin auch im Spannungserzeugungsbetrieb der Energiespeichereinrichtung 1 sichergestellt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen den durch die ersten und zweiten Halbbrückenschaltungen 9 und 15 gegeneinander verschalteten Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c bzw. Phasenleitungen 2a, 2b, und Sternpunktleitung 2c derart gepolt ist, dass den Energiespeichermodulen (3) der zugehörigen Energiespeicherzweige Z bzw. Zs durch das Einspeisen des Ladegleichstroms IL elektrische Energie zugeführt wird.The first and second half-bridge circuits 9 and 15 together form a full-bridge rectifier which allows two of the output terminals 1a . 1b . 1c or phase lines 2a . 2 B , and neutral point line 2c with the highest instantaneous potential difference against each other. By appropriate choice of the blocking or closed semiconductor switches 9c and 15c can continue in the voltage generating operation of the energy storage device 1 ensure that the potential difference between the through the first and second half-bridge circuits 9 and 15 mutually interconnected output terminals 1a . 1b . 1c or phase lines 2a . 2 B , and neutral point line 2c polarized such that the energy storage modules ( 3 ) of the associated energy storage branches Z and Zs is supplied by the feeding of the DC charging current I L electrical energy.

Ferner umfasst das System 600 optional Ausgleichszweige 50 bzw. 60 mit Halbleiterschaltern als Bezugspotentialschalter 53 bzw. 63, welche die beiden Sammelpunkte der ersten und zweiten Halbbrückenschaltungen 9 und 15 jeweils selektiv gegen die Bezugspotentialschiene 4 der Energiespeichereinrichtung 1 koppeln können. In Reihe zu den Bezugspotentialschaltern 53 bzw. 63 können jeweils optional Bezugspotentialdioden 51 bzw. 61 geschaltet werden.Furthermore, the system includes 600 optional equalization branches 50 respectively. 60 with semiconductor switches as a reference potential switch 53 respectively. 63 which the two collection points of the first and second half-bridge circuits 9 and 15 each selectively against the reference potential rail 4 the energy storage device 1 can couple. In series with the reference potential switches 53 respectively. 63 can each optionally reference potential diodes 51 respectively. 61 be switched.

Über die Bezugspotentialschalter 53 bzw. 63 kann als Potential, das an einem der Sammelpunkte der Halbbrückenschaltungen 9 und 15 anstehen das Bezugspotential, welches an der Bezugspotentialschiene 4 ansteht, ausgewählt werden. Dies ermöglicht es, auch bei geringen Statorspannungen der elektrischen Maschine zwischen den Phasenleitungen 2a, 2b, sowie der Sternpunktleitung 2c, beispielsweise bei geringen Drehzahlen oder bei Stillstand der elektrischen Maschine 2, eine ausreichend hohe Potentialdifferenz zwischen den Sammelpunkten der Halbbrückenschaltungen 9 und 15 zu gewährleisten, indem das Sternpunktpotential der elektrischen Maschine 2 vom Bezugspotential verschieden gewählt wird. Dabei wird das Sternpunktpotential am Sternpunkt 2d der elektrischen Maschine 2 direkt um die Ausgangsspannung des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs gegenüber dem Bezugspotential verschoben wird.Via the reference potential switches 53 respectively. 63 can be considered a potential at one of the collection points of the half-bridge circuits 9 and 15 pending the reference potential, which at the reference potential rail 4 is pending, to be selected. This makes it possible, even at low stator voltages of the electrical machine between the phase lines 2a . 2 B , as well as the neutral line 2c For example, at low speeds or at standstill of the electric machine 2 , a sufficiently high potential difference between the collection points of the half-bridge circuits 9 and 15 ensure by the neutral point potential of the electric machine 2 is chosen differently from the reference potential. The star point potential is at the star point 2d the electric machine 2 is shifted directly to the output potential of the additional power supply branch Zs to the reference potential.

Um die Beeinflussung der Statorspannungen der elektrischen Maschine 2 durch die Ausgangsspannung des zusätzlichen Energiespeicherzweigs Zs zu kompensieren, werden die Ausgangsspannungen der anderen Energiespeicherzweige Z in gleicher Weise um die Ausgangsspannung des zusätzlichen Energiespeicherzweigs Zs additiv korrigiert. Um Schwankungen durch Kommutierungsvorgänge auszugleichen, können in Reihe zu den jeweiligen Bezugspotentialdioden 51 bzw. 61 und Bezugspotentialschaltern 53 bzw. 63 jeweils weitere Kommutierungsdrosseln 52 bzw. 62 geschaltet werden. Dabei erlaubt der Bezugspotentialschalter 53 die Nutzung einer Verschiebung des Sternpunktpotentials der elektrischen Maschine 2 hin zu positiven Werten zum Laden von Energiespeichermodulen 3 der Energieversorgungseinrichtung 1, indem er ein Zurückfließen eines Ladegleichstroms IL von der Bezugspotentialschiene 4 zur Ladeschaltung 30 erlaubt, wobei dieser Ladegleichstrom IL über den Anodensammelpunkt der Halbbrücke 15 und eine ihrer Ausgangsklemmen 1a, 1b, 1c in die Energieversorgungseinrichtung eingespeist wird. In entsprechender Weise erlaubt der Bezugspotentialschalter 63 die Nutzung einer Verschiebung des Sternpunktpotentials der elektrischen Maschine 2 hin zu negativen Werten zum Laden von Energiespeichermodulen 3 der Energieversorgungseinrichtung 1, indem er ein Einspeisen eines Ladegleichstroms IL in die Bezugspotentialschiene 4 der Energieversorgungseinrichtung 1 erlaubt, wobei dieser Ladegleichstrom IL über einer der Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energieversorgungseinrichtung und den Kathodensammelpunkt der Halbbrücke 9 zur Ladeschaltung 30 zurückgeführt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 mit nur einem der beiden Ausgleichszweige 50 oder 60 auszuführen. In diesem Fall ist eine Verschiebung des Sternpunktpotentials der elektrischen Maschine 2 gegenüber dem Bezugspotential nur in eine Richtung möglich.To influence the stator voltages of the electrical machine 2 be compensated by the output voltage of the additional energy storage branch Zs, the output voltages of the other energy storage branches Z are additively corrected in the same way by the output voltage of the additional energy storage branch Zs. To compensate for variations due to commutation, in series with the respective reference potential diodes 51 respectively. 61 and reference potential switches 53 respectively. 63 in each case further commutation reactors 52 respectively. 62 be switched. The reference potential switch allows this 53 the use of a shift of the neutral point potential of the electric machine 2 to positive values for charging energy storage modules 3 the power supply device 1 by flowing back a charging direct current I L from the reference potential rail 4 to the charging circuit 30 allows, with this DC charging current I L on the anode collection point of the half-bridge 15 and one of their output terminals 1a . 1b . 1c is fed into the power supply device. In a corresponding manner, the reference potential switch allows 63 the use of a shift of the neutral point potential of the electric machine 2 to negative values for charging energy storage modules 3 the power supply device 1 by feeding a DC charging current I L into the reference potential rail 4 the power supply device 1 allows, with this DC charging current I L over one of the output terminals 1a . 1b . 1c the power supply device and the cathode collection point of the half-bridge 9 to the charging circuit 30 is returned. There is also the possibility of the Gleichspannungsabgriffsanordnung 8th with only one of the two balancing branches 50 or 60 perform. In this case, a shift of the neutral point potential of the electric machine 2 compared to the reference potential only possible in one direction.

In 9 ist ein weiteres System 700 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 und einer Gleichspannungsabgriffsanordnung 8 gezeigt. Von dem System 600 in 8 unterscheidet sich das System 700 der 9 dadurch, dass statt der im Zusammenhang mit 4 und 5 beschriebenen Ladeschaltung 30 die im Zusammenhang mit den 6 und 7 beschriebene Ladeschaltung 40 eingesetzt wird.In 9 is another system 700 with an energy storage device 1 and a DC tap arrangement 8th shown. From the system 600 in 8th the system is different 700 of the 9 in that instead of being related to 4 and 5 described charging circuit 30 which in connection with the 6 and 7 described charging circuit 40 is used.

Alle Schaltelemente der angegebenen Schaltungsanordnungen können Leistungshalbleiterschalter umfassen, beispielsweise normal sperrende oder normal leitende n- oder p-Kanal-IGBT-Schalter oder entsprechende MOSFET-Schalter. Bei der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern mit Rückwärtssperrfähigkeit kann auf die entsprechenden Reihenschaltungen mit Dioden verzichtet werden.All of the switching elements of the specified circuit arrangements may comprise power semiconductor switches, for example normal-blocking or normally-conductive n- or p-channel IGBT switches or corresponding MOSFET switches. When using power semiconductor switches with reverse blocking capability, the corresponding series connections with diodes can be dispensed with.

Durch die Verwendung des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs in den elektrischen Antriebssystemen 200, 300, 400, 500, 600 und 700 der 4 bis 9 kann jeweils zwischen der Bezugspotentialschiene 4 und der Sternpunktleitung 2c ein Potentialunterschied aufgebaut werden, wodurch eine Sternpunktverschiebung am Sternpunkt 2d der elektrischen Maschine 2 möglich wird, d.h. die Ausgabespannungen aller Energieversorgungszweige Z bzw. Zs können um den gleichen Betrag gegenüber dem Bezugspotential angehoben werden, ohne dass sich die relativen Spannungen in den Phasen La und Lb der elektrischen Maschine 2 ändern. Damit kann auch bei niedrigen Betriebsspannungen der elektrischen Maschine 2 ein ausreichend hohes Potentialgefälle der Phasenleitungen 2a und 2b bzw. der Sternpunktleitung 2c gegenüber dem Bezugspotential gewährleistet werden. Dies ermöglicht ein Laden der Energiespeichereinrichtung 1 über die jeweilige Ladeschaltung sowohl während des Fahrbetriebs als auch im Stillstand. Insbesondere können dabei die gleichen Ladeschaltungen und Gleichspannungsabgriffsanordnungen eingesetzt werden, die auch in einem elektrischen Antriebssystem mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine zur Verwendung kommen können. Soll ein Laden der Energiespeichereinrichtung 1 nur im Stillstand erfolgen können, so kann auf die Halbleiterschalter 9c, 15c, 53 bzw. 63 verzichtet werden und die Halbbrücken 9 bzw. 15 sowie die Ausgleichszweige 50 bzw. 60 können nur mit den Dioden 9a, 15a, 51 bzw. 61 aufgebaut werden.By using the additional power supply branch Zs in the electric drive systems 200 . 300 . 400 . 500 . 600 and 700 of the 4 to 9 can each be between the reference potential rail 4 and the neutral point line 2c a potential difference can be established, whereby a neutral shift at the star point 2d the electric machine 2 becomes possible, that is, the output voltages of all power supply branches Z and Zs can be raised by the same amount relative to the reference potential, without causing the relative voltages in the phases La and Lb of the electric machine 2 to change. Thus, even at low operating voltages of the electric machine 2 a sufficiently high potential gradient of the phase lines 2a and 2 B or the neutral line 2c be guaranteed against the reference potential. This allows charging of the energy storage device 1 over the respective charging circuit both while driving and at a standstill. In particular, the same charging circuits and Gleichspannungsabgriffsanordnungen can be used, which can come in an electric drive system with a three-phase electric machine for use. Should a loading of the energy storage device 1 can only be done at a standstill, so can on the semiconductor switch 9c . 15c . 53 respectively. 63 be waived and the half bridges 9 respectively. 15 and the balancing branches 50 respectively. 60 can only with the diodes 9a . 15a . 51 respectively. 61 being constructed.

In den elektrischen Antriebssystemen 200, 300, 400, 500, 600 und 700 der 4 bis 9 sind jeweils zweiphasige elektrische Maschinen 2 als Transversalflussmaschinen gezeigt. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine 2 größer als zwei sein kann und dass die Anzahl der Energieversorgungszweige Z dementsprechend skaliert werden kann. Hierbei ist stets ein zusätzlicher Energieversorgungszweig Zs vorgesehen, welcher den Sternpunkt 2d der elektrischen Maschine 2 mit einem zusätzlichen Ausgangsanschluss koppelt.In the electric drive systems 200 . 300 . 400 . 500 . 600 and 700 of the 4 to 9 are each two-phase electrical machines 2 shown as transversal flux machines. It should be understood, however, that the number of phases of the electric machine 2 can be greater than two and that the number of power supply branches Z can be scaled accordingly. Here, an additional energy supply branch Zs is always provided, which is the star point 2d the electric machine 2 coupled with an additional output terminal.

10 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 80 zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung 1 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem 200, 300, 400, 500, 600 und 700 der 4 bis 9 eingesetzt werden. 10 shows a schematic representation of a method 80 for operating an energy storage device 1 an electrically powered vehicle with an electric drive system 200 . 300 . 400 . 500 . 600 and 700 of the 4 to 9 be used.

In einem ersten Schritt 81 erfolgt ein Einstellen einer ersten Maschinenspannung an einem ersten der Phasenanschlüsse 2a der n – 1-phasigen elektrischen Maschine 2 als Differenz zwischen der Ausgabespannung eines ersten der n – 1 der Ausgangsanschlüsse 1a und dem übrigen der Ausgangsanschlüsse 1c der Energiespeichereinrichtung 1. Gleichermaßen erfolgt in Schritt 82 ein Einstellen einer zweiten Maschinenspannung an einem zweiten der Phasenanschlüsse 2b der n – 1-phasigen elektrischen Maschine 2 als Differenz zwischen der Ausgabespannung eines zweiten der n – 1 der Ausgangsanschlüsse 1b und dem übrigen der Ausgangsanschlüsse 1c der Energiespeichereinrichtung 1. Dabei ist die erste Maschinenspannung gegenüber der zweiten Maschinenspannung im Zeigerdiagramm um 90° phasenverschoben.In a first step 81 a first machine voltage is set at a first of the phase terminals 2a the n - 1-phase electric machine 2 as the difference between the output voltage of a first one of n-1 of the output terminals 1a and the rest of the output terminals 1c the energy storage device 1 , Likewise, in step 82 adjusting a second machine voltage at a second of the phase terminals 2 B the n - 1-phase electric machine 2 as the difference between the output voltage of a second one of n - 1 of the output terminals 1b and the rest of the output terminals 1c the energy storage device 1 , In this case, the first machine voltage is phase-shifted by 90 ° with respect to the second machine voltage in the vector diagram.

11 zeigt eine beispielhafte Illustration eines Zeigerdiagramms für die Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, insbesondere eines der elektrischen Antriebssysteme 200, 300, 400, 500, 600 und 700 der 4 bis 9. 11 shows an exemplary illustration of a phasor diagram for carrying out a method for operating an electric drive system, in particular one of the electric drive systems 200 . 300 . 400 . 500 . 600 and 700 of the 4 to 9 ,

Die für den Betrieb der elektrischen Maschine 2 notwendigen Phasenspannungen ergeben sich durch die Verwendung des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs als Differenzen der Ausgabespannungen der jeweils verbundenen Energieversorgungszweige Z und des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs. Beispielsweise ist die Phasenspannung uUW in der ersten Induktivität La uUW = UU – UW. Gleichermaßen ist die Phasenspannung uVW in der zweiten Induktivität Lb uVW = UV – UW, wobei UU und UV die jeweiligen Ausgabespannungen der Energieversorgungszweige Z und UW die Ausgabespannung des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs darstellen. Dabei weisen die beiden komplexen Zeiger der Phasenspannungen uUW und uVW den gleichen Betrag auf und sind um 90° gegeneinander phasenverschoben.The for the operation of the electric machine 2 necessary phase voltages result from the use of the additional power supply branch Zs as differences in the output voltages of the respectively connected power supply branches Z and the additional power supply branch Zs. For example, the phase voltage u UW in the first inductance La u UW = U U - U W. Similarly, the phase voltage u VW in the second inductance Lb u VW = U V - U W , where U U and U V represent the respective output voltages of the power supply branches Z and U W, the output voltage of the additional power supply branch Zs. In this case, the two complex phasors of the phase voltages u UW and u VW have the same magnitude and are phase-shifted by 90 ° from one another.

In einem Betriebsmodus der Energiespeichereinrichtung 1 kann es vorteilhaft sein, wenn jeder der Energieversorgungszweige Z sowie der zusätzliche Energieversorgungszweig Zs in gleichem Maße zur Leistung der elektrischen Maschine 2 beiträgt. Für blindleistungsfreien Maschinenbetrieb, d.h. bei einem Phasenwinkel φ = 0° zwischen Phasenspannungen der Maschine 2 und den jeweiligen Maschinenströmen können die Spannungszeiger der Phasenspannungen uUW und uVW durch entsprechende Einstellung der Ausgabespannungen an den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b und 1c gebildet werden. Dabei ist UW = (i – 1)/3·U, UU = (2 + i)/3·U, und UW = (–1 – 2i)/3·U, mit U als normierter Zeigeramplitude der Spannungszeiger der Phasenspannungen uUW und uVW.In an operating mode of the energy storage device 1 It may be advantageous if each of the energy supply branches Z and the additional power supply branch Zs to the same extent to the power of the electric machine 2 contributes. For blind-duty-free machine operation, ie at a phase angle φ = 0 ° between phase voltages of the machine 2 and the respective machine currents, the voltage vector of the phase voltages u UW and u VW by appropriate Adjust the output voltages at the output terminals 1a . 1b and 1c be formed. In this case, U W = (i-1) / 3 * U, U U = (2 + i) / 3 * U, and U W = (-1-2i) / 3 * U, with U being the standardized pointer amplitude of the voltage vector the phase voltages u UW and u VW .

Je weiter sich der Phasenwinkel φ von 0° jedoch entfernt, d.h. bei Aufnahme von zusätzlicher Blindleistung würde der zusätzliche Energieversorgungszweig Zs zwar weiterhin nur zu einem Drittel zur Leistungsaufnahme beitragen, die Leistungsverteilung der anderen Energieversorgungszweige Z untereinander würde jedoch asymmetrisch werden. Um nun unabhängig vom Phasenwinkel φ eine symmetrische Leistungsverteilung zwischen den Energieversorgungszweigen Z und Zs zu gewährleisten, muss die Abhängigkeit vom Phasenwinkel φ berücksichtigt werden. Dabei können die Ausgabespannungen als U‘W = (i – 1)/6·U·(1 + e–2iφ), U‘U = (5 + i + (i – 1)·e–2iφ)/6·U, und U‘W = (–1 – 5i + (i – 1)·e–2iφ)/6·U gewählt werden.However, the farther the phase angle .phi. From 0 ° away, ie when additional reactive power is consumed, the additional energy supply branch Zs would still only contribute to one third of the power consumption, but the power distribution of the other energy supply branches Z would become asymmetrical. In order to ensure a symmetrical power distribution between the energy supply branches Z and Zs independently of the phase angle φ, the dependence on the phase angle φ must be taken into account. The output voltages may be expressed as U ' W = (i-1) / 6 * U * (1 + e -2iφ ), U' U = (5 + i + (i-1) * e -2iφ ) / 6 * U , and U ' W = (-1 - 5i + (i - 1) · e -2iφ ) / 6 · U.

Die sich so ergebenden Ortskurven OU(φ), OV(φ), und OW(φ) sind in 11 mit gestrichelten Linien angedeutet. Besonders hervorzuheben sind dabei zwei beispielhafte Werte für den Phasenwinkel φ von 30° (motorischer Betrieb) und 160° (generatorischer Betrieb).The resulting loci O U (φ), O V (φ), and O W (φ) are in 11 indicated by dashed lines. Particularly noteworthy are two exemplary values for the phase angle φ of 30 ° (motor operation) and 160 ° (regenerative operation).

Folgt die einzustellende Spannung den Ortskurven OU(φ), OV(φ), und OW(φ), so stellt sich heraus, dass der maximal abzugebende Strom des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs um etwa die Hälfte höher liegt als der maximal abzugebende Strom der Energieversorgungszweige Z. Umgekehrt liegt die maximale Spannungsamplitude des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs nur bei etwa der Hälfte der einzustellenden Phasenspannungen der Maschine 2. Daher kann es möglich sein, die Auslegung des zusätzlichen Energieversorgungszweigs Zs an die erhöhte Stromentnahme und verringerte Ausgabespannung anzupassen, beispielsweise durch Parallelschaltung von zwei oder mehr Energieversorgungsmodulen 3 in dem zusätzlichen Energieversorgungszweig Zs sowie eine Verringerung der in Reihe geschalteten Energieversorgungsmodule 3 gegenüber den Energieversorgungszweigen Z.If the voltage to be set follows the loci O U (φ), O V (φ), and O W (φ), then it turns out that the maximum current to be delivered of the additional power supply branch Zs is about half higher than the maximum current to be delivered the energy supply branches Z. Conversely, the maximum voltage amplitude of the additional power supply branch Zs is only about half of the phase voltages of the machine to be set 2 , Therefore, it may be possible to adapt the design of the additional power supply branch Zs to the increased current drain and reduced output voltage, for example by connecting two or more power supply modules in parallel 3 in the additional power supply branch Zs as well as a reduction of the serially connected power supply modules 3 opposite the power supply branches Z.

Es kann alternativ auch möglich sein, die Ansteuerung der Energieversorgungsmodule 3 in den Energieversorgungszweigen Z und Zs derart zu gestalten, dass keiner der Zweige eine höhere Ausgabespannung als die Amplitude U der Phasenspannungen der elektrischen Maschine 2 erzeugen muss. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Maschinenspannung U unter gleichzeitiger Veränderung der Blindleistungsaufnahme abgesenkt wird oder dass bewusst von einer symmetrischen bzw. gleichmäßigen Leistungsaufteilung der Energieversorgungszweige Z und Zs untereinander abgewichen wird. Zum Beispiel kann der Energieversorgungszweig Zs gegenüber den übrigen Energieversorgungszweigen Z zu weniger als einem Drittel zur Gesamtleistung beitragen. Vorteilhafterweise kann der Energieversorgungszweig Zs dann recht einfach mit nur einem einzigen Energieversorgungsmodul 3 implementiert werden, da die Ausgabespannung des Energieversorgungszweigs Zs entsprechend reduziert werden kann.Alternatively, it may also be possible to control the power supply modules 3 be designed in the power supply branches Z and Zs such that none of the branches has a higher output voltage than the amplitude U of the phase voltages of the electric machine 2 must generate. This can be done, for example, by lowering the machine voltage U while simultaneously changing the reactive power consumption, or deliberately deviating from a symmetrical or even power distribution of the energy supply branches Z and Zs. For example, the power supply branch Zs may contribute less than one-third of the total power compared to the remaining power supply branches Z. Advantageously, the power supply branch Zs can then quite easily with only a single power supply module 3 can be implemented, since the output voltage of the power supply branch Zs can be reduced accordingly.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (14)

Elektrisches Antriebssystem (200; 300; 400; 500; 600; 700), mit: einer Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von n Energieversorgungszweigen (Z; Zs) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Wechselspannung an einer Vielzahl von n Ausgangsanschlüssen (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, mit n > 1; einer (n – 1)-phasigen elektrischen Maschine (2), deren Phasenanschlüsse (2a, 2b) jeweils mit einem von n – 1 der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b) der Energiespeichereinrichtung (1) verbunden sind, und deren Sternpunkt (2d) mit dem übrigen der Ausgangsanschlüsse (1c) der Energiespeichereinrichtung (1) verbunden ist.Electric drive system ( 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 700 ), comprising: an energy storage device ( 1 ), which have a plurality of n energy supply branches (Z; Zs), each with a plurality of energy storage modules ( 3 ) for generating an AC voltage at a plurality of n output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ), with n>1; a (n-1) -phase electrical machine ( 2 ), whose phase connections ( 2a . 2 B ) each with one of n - 1 of the output terminals ( 1a . 1b ) of the energy storage device ( 1 ) and their neutral point ( 2d ) with the rest of the output terminals ( 1c ) of the energy storage device ( 1 ) connected is. Elektrisches Antriebssystem (200; 300; 400; 500; 600; 700) nach Anspruch 1, mit einer ersten Halbbrückenschaltung (9) mit einer Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen (8a, 8b, 8c), welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind; einem ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b), welcher mit der ersten Halbbrückenschaltung (9) gekoppelt ist; einem zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b), welcher mit einer Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist; einer Wandlerdrossel (10), welche zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und die erste Halbbrückenschaltung (9) geschaltet ist; einer Freilaufdiode (32), welche zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a) und den zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47b) gekoppelt ist; und einer Speiseschaltung (35; 44, 45), welche dazu ausgelegt ist, zumindest zeitweise eine Ladegleichspannung (UL) zwischen dem ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und dem zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) bereitzustellen.Electric drive system ( 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 700 ) according to claim 1, having a first half-bridge circuit ( 9 ) with a multiplicity of first supply connections ( 8a . 8b . 8c ), each connected to one of the output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ) are coupled; a first feeding node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ), which with the first half-bridge circuit ( 9 ) is coupled; a second feeding node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ), which is connected to a reference potential rail ( 4 ) of the energy storage device ( 1 ) is coupled; a converter choke ( 10 ), which between the first feeding nodes ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and the first half-bridge circuit ( 9 ) is switched; a freewheeling diode ( 32 ), which between the first feeding nodes ( 37a ; 37b ; 47a ) and the second feeding node ( 37a ; 37b ; 47b ) is coupled; and a feed circuit ( 35 ; 44 . 45 ), which is designed, at least temporarily, a DC charging voltage (U L ) between the first supply node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and the second feed node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ). Elektrisches Antriebssystem (200; 300; 400; 500; 600; 700) nach Anspruch 2, wobei die erste Halbbrückenschaltung (9) eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (9c) aufweist, welche jeweils zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und einen der Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen (8a, 8b, 8c) gekoppelt sind.Electric drive system ( 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 700 ) according to claim 2, wherein the first half-bridge circuit ( 9 ) a plurality of semiconductor switches ( 9c ), which in each case between the first supply node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and one of the plurality of first supply terminals ( 8a . 8b . 8c ) are coupled. Elektrisches Antriebssystem (200; 300; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei die erste Halbbrückenschaltung (9) eine Vielzahl von Dioden (9a) aufweist, welche jeweils zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und einen der Vielzahl von ersten Speiseanschlüssen (8a, 8b, 8c) gekoppelt sind.Electric drive system ( 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 700 ) according to one of claims 2 and 3, wherein the first half-bridge circuit ( 9 ) a plurality of diodes ( 9a ), which in each case between the first supply node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and one of the plurality of first supply terminals ( 8a . 8b . 8c ) are coupled. Elektrisches Antriebssystem (200; 300; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei die erste Halbbrückenschaltung (9) weiterhin eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln (9b) aufweist, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden (9a) oder Halbleiterschaltern (9c) und den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) gekoppelt sind.Electric drive system ( 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 700 ) according to one of claims 3 and 4, wherein the first half-bridge circuit ( 9 ) a plurality of commutation chokes ( 9b ), which in each case between the plurality of diodes ( 9a ) or semiconductor switches ( 9c ) and the first feeding node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) are coupled. Elektrisches Antriebssystem (600; 700) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, weiterhin mit: einer zweiten Halbbrückenschaltung (15) mit einer Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen (8g, 8h, 8i), welche jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind, wobei die zweite Halbbrückenschaltung (15) mit dem zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) verbunden ist.Electric drive system ( 600 ; 700 ) according to one of claims 2 to 5, further comprising: a second half-bridge circuit ( 15 ) with a plurality of second supply terminals ( 8g . 8h . 8i ), each connected to one of the output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ), wherein the second half-bridge circuit ( 15 ) with the second feeding node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) connected is. Elektrisches Antriebssystem (600; 700) nach Anspruch 6, wobei die zweite Halbbrückenschaltung (15) eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (15c) aufweist, welche jeweils zwischen den zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und einen der Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen (8g, 8h, 8i) gekoppelt sind.Electric drive system ( 600 ; 700 ) according to claim 6, wherein the second half-bridge circuit ( 15 ) a plurality of semiconductor switches ( 15c ), which in each case between the second feed node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and one of the plurality of second supply terminals ( 8g . 8h . 8i ) are coupled. Elektrisches Antriebssystem (600; 700) nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die zweite Halbbrückenschaltung (15) eine Vielzahl von Dioden (15a) aufweist, welche jeweils zwischen den zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und einen der Vielzahl von zweiten Speiseanschlüssen (8g, 8h, 8i) gekoppelt sind.Electric drive system ( 600 ; 700 ) according to one of claims 6 and 7, wherein the second half-bridge circuit ( 15 ) a plurality of diodes ( 15a ), which in each case between the second feed node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and one of the plurality of second supply terminals ( 8g . 8h . 8i ) are coupled. Elektrisches Antriebssystem (600; 700) nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei die zweite Halbbrückenschaltung (15) weiterhin eine Vielzahl von Kommutierungsdrosseln (15b) aufweist, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Dioden (15a) oder Halbleiterschaltern (15c) und den zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) gekoppelt sind.Electric drive system ( 600 ; 700 ) according to one of claims 7 and 8, wherein the second half-bridge circuit ( 15 ) a plurality of commutation chokes ( 15b ), which in each case between the plurality of diodes ( 15a ) or semiconductor switches ( 15c ) and the second feeding node ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) are coupled. Elektrisches Antriebssystem (600; 700) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, weiterhin mit: einem ersten Ausgleichszweig (50), welcher zwischen den ersten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und die Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist; und/oder einem zweiten Ausgleichszweig (60), welcher zwischen den zweiten Speiseknoten (37a; 37b; 47a; 47b) und die Bezugspotentialschiene (4) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, wobei jeder der Ausgleichszweige (50; 60) einen Bezugspotentialschalter (53; 63) und/oder eine Bezugspotentialdiode (51; 61) aufweist.Electric drive system ( 600 ; 700 ) according to one of claims 6 to 9, further comprising: a first equalizing branch ( 50 ), which between the first feeding nodes ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and the reference potential rail ( 4 ) of the energy storage device ( 1 ) is coupled; and / or a second balancing branch ( 60 ), which between the second feeding nodes ( 37a ; 37b ; 47a ; 47b ) and the reference potential rail ( 4 ) of the energy storage device ( 1 ), each of the balancing branches ( 50 ; 60 ) a reference potential switch ( 53 ; 63 ) and / or a reference potential diode ( 51 ; 61 ) having. Elektrisches Antriebssystem (200; 300; 600) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Speiseschaltung einen Speisekondensator (35) aufweist, welcher zwischen zwei Eingangsanschlüsse (36a; 36b) der Speiseschaltung gekoppelt ist.Electric drive system ( 200 ; 300 ; 600 ) according to any one of claims 2 to 10, wherein the Supply circuit a feed capacitor ( 35 ), which between two input terminals ( 36a ; 36b ) is coupled to the supply circuit. Elektrisches Antriebssystem (400; 500; 700) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Speiseschaltung einen Transformator (45), dessen Primärwicklung zwischen zwei Eingangsanschlüsse (46a; 46b) der Speiseschaltung gekoppelt ist, und einen Vollbrückengleichrichter (44) aufweist, welcher an die Sekundärwicklung des Transformators (45) gekoppelt ist, und welcher dazu ausgelegt ist, eine pulsierende Ladegleichspannung zum Laden der Energiespeichermodule (3) bereitzustellen.Electric drive system ( 400 ; 500 ; 700 ) according to one of claims 2 to 10, wherein the feed circuit is a transformer ( 45 ), whose primary winding between two input terminals ( 46a ; 46b ) is coupled to the feed circuit, and a full-bridge rectifier ( 44 ), which is connected to the secondary winding of the transformer ( 45 ) and which is adapted to a pulsating DC charging voltage for charging the energy storage modules ( 3 ). Elektrisches Antriebssystem (400; 500; 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die elektrische Maschine (2) eine Transversalflussmachine ist.Electric drive system ( 400 ; 500 ; 700 ) according to one of claims 1 to 12, wherein the electric machine ( 2 ) is a transversal flux machine. Verfahren (80) zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung (1) in einem elektrischen Antriebssystem (200; 300; 400; 500; 600; 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten: Einstellen (81) einer ersten Maschinenspannung (UU) an einem ersten der Phasenanschlüsse (2a) der (n – 1)-phasigen elektrischen Maschine (2) als Differenz zwischen der Ausgabespannung eines ersten der n – 1 der Ausgangsanschlüsse (1a) und dem übrigen der Ausgangsanschlüsse (1c) der Energiespeichereinrichtung (1); und Einstellen (82) einer zweiten Maschinenspannung (UV) an einem zweiten der Phasenanschlüsse (2b) der (n – 1)-phasigen elektrischen Maschine (2) als Differenz zwischen der Ausgabespannung eines zweiten der n – 1 der Ausgangsanschlüsse (1b) und dem übrigen der Ausgangsanschlüsse (1c) der Energiespeichereinrichtung (1).Procedure ( 80 ) for operating an energy storage device ( 1 ) in an electric drive system ( 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 700 ) according to any one of claims 1 to 13, comprising the steps of: adjusting ( 81 ) of a first machine voltage (U U ) at a first of the phase connections ( 2a ) of the (n-1) -phase electrical machine ( 2 ) as the difference between the output voltage of a first one of n - 1 of the output terminals ( 1a ) and the rest of the output terminals ( 1c ) of the energy storage device ( 1 ); and setting ( 82 ) a second machine voltage (U V ) at a second of the phase terminals ( 2 B ) of the (n-1) -phase electrical machine ( 2 ) as the difference between the output voltage of a second one of n - 1 of the output terminals ( 1b ) and the rest of the output terminals ( 1c ) of the energy storage device ( 1 ).
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