DE102014218063A1 - Energy storage device and method for operating an energy storage device - Google Patents

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Manfred Hellmann
Manfred Grabs
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung (1), mit einer Vielzahl von parallel geschalteten Energieversorgungszweigen (Z), welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1a, 1b, 1c) und eine Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige (Z) eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist. Die Energiespeichermodule (3) umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist, eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a, 7d; 7b, 7c), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu umgehen, und eine Stromsensoreinrichtung (8, 9a, 9b), welche in Serie zu der mindestens einen Energiespeicherzelle (5a, 5k) verbunden ist, und welche dazu ausgelegt ist, einen Strom durch das Energiespeicherzellenmodul (5) zu messen und als Modulstrommesssignal auszugeben. Die Energiespeichereinrichtung (1) weist weiterhin ein Steuergerät (6) auf, welches mit jeder der Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) gekoppelt ist, und welches dazu ausgelegt ist, die Modulstrommesssignale der Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) zu verarbeiten. Das Steuergerät (6) ist weiterhin dazu ausgelegt, die Koppeleinrichtungen (7) der Energiespeichermodulen (3) entweder im pulsweitenmodulierten Betrieb oder im Dauerstrombetrieb anzusteuern, und nur die Modulstrommesssignale der Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) derjenigen Energiespeichermodule (3), die im Dauerstrombetrieb angesteuert werden, zu einem Zweigstrommesssignal zu mitteln.The invention relates to an energy storage device (1) having a plurality of parallel-connected power supply branches (Z) which are each coupled between an output terminal (1a, 1b, 1c) and a reference potential rail (4), each of the power supply branches (Z) having a plurality of series-connected energy storage modules (3). The energy storage modules (3) each comprise an energy storage cell module (5), which has at least one energy storage cell (5a, 5k), a coupling device (7) with coupling elements (7a, 7d, 7b, 7c), which are designed to charge the energy storage cell module (5 ) selectively in the respective power supply branch (Z) or in the respective power supply branch (Z) to bypass, and a current sensor means (8, 9a, 9b), which in series to the at least one energy storage cell (5a, 5k) is connected, and which is designed to measure a current through the energy storage cell module (5) and output as a module current measurement signal. The energy storage device (1) further comprises a control device (6) which is coupled to each of the current sensor devices (8, 9a, 9b) and which is designed to process the module current measurement signals of the current sensor devices (8, 9a, 9b). The control device (6) is furthermore designed to control the coupling devices (7) of the energy storage modules (3) either in pulse width modulated operation or in continuous current operation, and only the module current measurement signals of the current sensor devices (8, 9a, 9b) of those energy storage modules (3) which are in the Continuous current operation are controlled to average to a branch current measurement signal.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere eines modular aufgebauten Batteriedirektumrichters.The invention relates to an energy storage device and a method for operating an energy storage device, in particular a modular battery direct converter.

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 associated 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 can 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.

Bei derartigen modular konfigurierten Batteriesystemen ist es zur Gewährleistung einer optimalen Leistungsfähigkeit des Batteriesystems wichtig, die elektrischen Betriebsparameter der einzelnen Module zu jedem Zeitpunkt des Betriebs und über einen Betriebsverlauf hinweg zu kennen. Dazu werden üblicherweise Stromsensoren eingesetzt, die für jedes Energiespeichermodul bzw. jeden Energiespeichermodulstrangs die Ströme in den jeweiligen Energiespeichermodulen bzw. Energiespeichermodulsträngen überwachen. Die Funktionalität, Messabweichungen und gegebenenfalls Linearitätsfehler dieser Stromsensoren ist entscheidend für die optimale Wahl einer an das Gesamtbatteriesystem angepassten Betriebsstrategie.In such modularly configured battery systems, it is important to know the electrical operating parameters of the individual modules at all times of operation and over a course of operation in order to ensure optimal performance of the battery system. For this purpose, current sensors are usually used which monitor the currents in the respective energy storage modules or energy storage module strings for each energy storage module or each energy storage module string. The functionality, measurement deviations and possibly linearity errors of these current sensors are decisive for the optimal choice of an operating strategy adapted to the overall battery system.

Es besteht daher ein Bedarf an einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung und einem Verfahren zum Betreiben einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung, mit denen Stromsensoren, die die Stromentnahme bzw. -aufnahme von Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung überwachen, auf Funktionalität, Messabweichungen und/oder Linearitätsfehler überprüft und gegebenenfalls kalibriert werden können. There is therefore a need for a modular energy storage device and a method for operating a modular energy storage device with which current sensors that monitor the current consumption or absorption of energy storage cells of the energy storage device, checked for functionality, measurement errors and / or linearity errors and optionally calibrated can.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist. Die Energiespeichermodulen umfassen dabei jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungszweig zu umgehen, und eine Stromsensoreinrichtung, welche in Serie zu der mindestens einen Energiespeicherzelle verbunden ist, und welche dazu ausgelegt ist, einen Strom durch das Energiespeicherzellenmodul zu messen und als Modulstrommesssignal auszugeben. Die Energiespeichereinrichtung umfasst darüber hinaus ein Steuergerät, welches mit jeder der Stromsensoreinrichtungen gekoppelt ist, und welches dazu ausgelegt ist, die Modulstrommesssignale der Stromsensoreinrichtungen zu verarbeiten. Das Steuergerät ist weiterhin dazu ausgelegt, die Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodulen entweder im pulsweitenmodulierten Betrieb oder im Dauerstrombetrieb anzusteuern, und nur die Modulstrommesssignale der Stromsensoreinrichtungen derjenigen Energiespeichermodule, die im Dauerstrombetrieb angesteuert werden, zu einem Zweigstrommesssignal zu mitteln.The present invention, according to a first aspect, provides an energy storage device having a plurality of parallel connected power supply branches each coupled between an output terminal and a reference potential rail, each of the power supply branches having a plurality of series connected energy storage modules. The energy storage modules each comprise an energy storage cell module which has at least one energy storage cell, a coupling device with coupling elements which are designed to selectively switch the energy storage cell module into the respective energy supply branch or to bypass the respective energy supply branch, and a current sensor device which is connected in series with the energy supply cell at least one energy storage cell is connected, and which is adapted to measure a current through the energy storage cell module and output as a module current measurement signal. The energy storage device further includes a controller coupled to each of the current sensor devices and configured to process the module current measurement signals of the current sensor devices. The control unit is furthermore designed to control the coupling devices of the energy storage modules either in pulse width modulated operation or in continuous current operation, and to average only the module current measurement signals of the current sensor devices of those energy storage modules which are activated in continuous current operation to form a branch current measurement signal.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem, mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, und einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit einer Vielzahl von Phasenleitungen, welche mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind.According to a further aspect, the present invention provides an electric drive system, comprising an energy storage device according to the first aspect of the invention, and a multi-phase electric machine with a plurality of phase lines which are respectively coupled to one of the output terminals of the energy storage device.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, mit den Schritten des Auswählens einer ersten Anzahl von Energiespeichermodulen eines Energieversorgungszweigs der Energiespeichereinrichtung, deren Koppeleinrichtungen in einem pulsweitenmodulierten Betrieb angesteuert werden, des Auswählens einer zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen des Energieversorgungszweigs der Energiespeichereinrichtung, deren Koppeleinrichtungen in einem Dauerstrombetrieb angesteuert werden, des Messens des durch die Energiespeichermodule der ersten Anzahl von Energiespeichermodulen fließenden Stroms zum Erzeugen von ersten Strommessignalen, und des Berechnens eines Zweigstrommesssignals durch Mitteln nur der ersten Strommessignale.According to a further aspect, the present invention provides a method for operating an energy storage device according to the first aspect of the invention, comprising the steps of selecting a first number of energy storage modules of a power supply branch of the energy storage device, the coupling devices are driven in a pulse width modulated operation, selecting a second number of energy storage modules of the energy supply branch of the energy storage device, the coupling devices are driven in a continuous power operation, measuring the current flowing through the energy storage modules of the first number of energy storage modules current for generating first current measurement signals, and calculating a branch current measurement signal by averaging only the first current measurement signals.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, den Abgleich von Stromsensoreinrichtungen in einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung zentral in einem koordinierenden Steuergerät vorzunehmen. Dieses Steuergerät kann die Koordination des Abgleichs gezielt in denjenigen Energiespeichermodulen vornehmen, die aufgrund ihres funktionsgemäßen Betriebszustands in der Erzeugung von Abgabespannungen der Energiespeichereinrichtung gerade zur Messung von Strömen geeignet sind.It is an idea of the present invention to perform the balancing of current sensor devices in a modular energy storage device centrally in a coordinating control device. This control unit can make the coordination of the adjustment specifically in those energy storage modules that are just suitable for the measurement of currents due to their functional operating state in the generation of output voltages of the energy storage device.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen Koppelelemente in Vollbrückenschaltung oder Halbbrückenschaltung umfassen.According to one embodiment of the energy storage device according to the invention, the coupling devices may comprise coupling elements in full-bridge circuit or half-bridge circuit.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Stromsensoreinrichtungen jeweils einen Shuntwiderstand oder einen Hallsensor zur Strommessung aufweisen.According to a further embodiment of the energy storage device according to the invention, the current sensor devices may each have a shunt resistor or a Hall sensor for current measurement.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann das Steuergerät weiterhin dazu ausgelegt sein, eine Vielzahl von Messdifferenzen der Modulstrommesssignale zu dem gemittelten Zweigstrommesssignal zu berechnen, und die Stromsensoreinrichtungen der Energiespeichermodule auf der Basis einer zugehörigen Messdifferenz der berechneten Vielzahl von Messdifferenzen zu kalibrieren.According to an embodiment of the energy storage device according to the invention, the controller may further be configured to calculate a plurality of measurement differences of the module current measurement signals to the averaged branch current measurement signal, and to calibrate the current sensor devices of the energy storage modules based on an associated measurement difference of the calculated plurality of measurement differences.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Berechnens einer Vielzahl von Messdifferenzen der ersten Strommessignale zu dem gemittelten Zweigstrommesssignal, und des Kalibrierens der Stromsensoreinrichtungen der ersten Anzahl von Energiespeichermodulen auf der Basis einer zugehörigen Messdifferenz der berechneten Vielzahl von Messdifferenzen umfassen. According to an embodiment of the method according to the invention, the method may further comprise the steps of calculating a plurality of measurement differences of the first current measurement signals to the averaged branch current measurement signal, and calibrating the current sensor devices of the first plurality of energy storage modules based on an associated measurement difference of the calculated plurality of measurement differences.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Ermittelns von kritischen Messdifferenzen, welche über einem vorbestimmten Messdifferenzschwellwert liegen, des Bestimmens, dass den kritischen Messdifferenzen zugehörige Stromsensoreinrichtungen der ersten Anzahl von Energiespeichermodulen defekt sind, und des Deaktivierens der defekten Stromsensoreinrichtungen und/oder Ausgeben eines Warnsignals zur Erkennung der defekten Stromsensoreinrichtungen umfassen.According to one embodiment of the method according to the invention, the method may further comprise the steps of determining critical measurement differences which are above a predetermined measurement difference threshold, determining that the current meter devices of the first plurality of energy storage modules are defective, and deactivating the defective current sensor devices and / or or outputting a warning signal for detecting the defective current sensor devices.

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

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 a schematic representation of a system with an energy storage device according to an embodiment of the invention;

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

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

1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von in Energiespeichermodulen 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen Z, von denen in 1 beispielhaft drei gezeigt sind, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine dreiphasige elektrische Maschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich sein kann. 1 shows a schematic representation of an electric drive 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 power supply branches Z, of which in 1 three are shown by way of example, which are used to generate a three-phase alternating voltage, for example for a three-phase electric machine 2 , are suitable. However, it will be understood that any other number of power supply branches Z may also be possible.

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.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.

Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige Z über einen Ausgangsanschluss 1a, 1b, 1c. Dabei sind die Ausgangsanschlüsse 1a, 1b, 1c der Energiespeichereinrichtung 1 an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c der elektrischen Maschine 2 angeschlossen. Die elektrische Maschine 2 kann beispielsweise eine Transversalflussmaschine, geschaltete Reluktanzmaschine, Synchronmaschine oder Asynchronmaschine sein, welche zum Beispiel über Induktivitäten verfügt, die an einem Sternpunkt verschaltet sind.The energy storage device 1 has at each of the power supply branches Z via an output terminal 1a . 1b . 1c , Here are the output terminals 1a . 1b . 1c the energy storage device 1 on phase lines 2a . 2 B respectively. 2c the electric machine 2 connected. The electric machine 2 For example, it may be a transverse flux machine, a switched reluctance machine, a synchronous machine or an asynchronous machine, which has, for example, inductors connected at a neutral point.

Die nicht mit den Ausgangsanschlüssen 1a, 1b, 1c 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. Der Sternpunkt der Maschine 2 kann optional über eine weitere Leitung, die sogenannte Sternpunktleitung, mit der Bezugspotentialschiene 4 der Energieversorgungseinrichtung verbunden werden.Not with the output connections 1a . 1b . 1c 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. The star point of the machine 2 Optionally via another line, the so-called star point line, with the reference potential rail 4 the power supply device are connected.

Das elektrische Antriebssystem 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 electric drive 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 each further comprise an energy storage cell module 5 with one or more energy storage cells connected in series 5a to 5k ,

Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete 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 bzw. umgangen 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 bzw. Umgehungszustand 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 bzw. Umgehungszustand 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 bridged or bypassed. 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 bypass state can be set, for example, by 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 or 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 elektrische Antriebssystem 100 in 1 zur Speisung einer elektrischen Maschine 2 in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird.The electric drive system serves as an example 100 in 1 for feeding an electric machine 2 in 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, 1c einerseits und der Bezugspotentialschiene 4 andererseits wird üblicherweise nur ein Teil der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 benötigt. Deren Koppeleinrichtungen 7 können derart angesteuert werden, dass die Gesamt-Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z stufig in einem rechteckigen Spannungs-/Strom-Stellbereich zwischen der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten negativen Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 und der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten positiven Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 einerseits und dem negativen und dem positiven Nennstrom durch ein einzelnes Energiespeichermodul 3 andererseits eingestellt werden kann.For generating a phase voltage between the output terminals 1a . 1b . 1c on the one hand and the reference potential rail 4 On the other hand, usually only a part of the energy storage cell modules 5 the energy storage modules 3 needed. Their coupling devices 7 can be controlled such that the total output voltage of a power supply branch Z stage in a rectangular voltage / current adjustment range between the with the number of energy storage modules 3 multiplied negative voltage of a single energy storage cell module 5 and the number of energy storage modules 3 multiplied positive voltage of a single energy storage cell module 5 on the one hand and the negative and the positive rated current through a single energy storage module 3 on the other hand can be adjusted.

Für Zwischenwerte zwischen den diskreten Stufen des rechteckigen Spannungs-/Strom-Stellbereichs können einzelne Energiespeichermodule 3 in einem pulsweitenmodulierten Ansteuerverfahren (PWM) angesteuert werden, das heißt, dass die Koppelelemente 7a bis 7d der Koppeleinrichtungen 7 der jeweiligen Energiespeichermodule 3 intermittierend im Wechsel geschaltet werden, um das Energiespeicherzellenmodul 5 während eines PWM-Zyklus für eine bestimmte (kurze) Zeitdauer in den Energieversorgungszweig Z zu schalten und für eine bestimmte darauf folgende (kurze) Zeitdauer wieder in dem Energieversorgungszweig Z zu umgehen. Das Verhältnis dieser Zeitdauern charakterisiert den mittleren Spannungsbeitrag, den das jeweilige Energiespeicherzellenmodul 5 zur Gesamtspannung des Energieversorgungszweigs Z beiträgt.For intermediate values between the discrete steps of the rectangular voltage / current adjustment range, individual energy storage modules 3 be driven in a pulse width modulated drive method (PWM), that is, that the coupling elements 7a to 7d the coupling devices 7 the respective energy storage modules 3 intermittently switched to the energy storage cell module 5 during a PWM cycle for a certain (short) period of time in the power supply branch Z and to bypass for a certain subsequent (short) period in the power supply branch Z again. The ratio of these time periods characterizes the mean voltage contribution that the respective energy storage cell module 5 contributes to the total voltage of the power supply branch Z.

Um also zu einem bestimmten Zeitpunkt eine definierte Ausgabespannung an dem Energieversorgungszweig Z einzustellen, wird eine erste Anzahl von Energiespeichermodulen 3 eines Energieversorgungszweigs Z ausgewählt, deren Koppeleinrichtungen 7 in einem pulsweitenmodulierten Betrieb angesteuert werden. Diese ersten Energiespeichermodule 3, üblicherweise nur eines, dienen der Feinabstimmung der Gesamtausgabespannung des jeweiligen Energieversorgungszweigs Z. Über eine Veränderung des Pulsweite der PWM-Ansteuersignale kann die Gesamtausgabespannung des jeweiligen Energieversorgungszweigs Z nahezu stufenlos variiert werden. In order therefore to set a defined output voltage at the power supply branch Z at a certain point in time, a first number of energy storage modules is set 3 a power supply branch Z selected, their coupling devices 7 be controlled in a pulse width modulated operation. These first energy storage modules 3 , Usually only one, serve to fine tune the total output voltage of the respective power supply branch Z. About a change in the pulse width of the PWM drive signals, the total output voltage of the respective power supply branch Z can be varied almost infinitely.

Für den Grundsockel der Gesamtausgabespannung des jeweiligen Energieversorgungszweigs Z sorgt die Auswahl einer zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 des Energieversorgungszweigs Z, deren Koppeleinrichtungen 7 in einem Dauerstrombetrieb angesteuert werden, das heißt, dass die Koppeleinrichtungen 7 so angesteuert werden, dass deren Energiespeicherzellenmodule 5 dauerhaft in den Energieversorgungszweig Z gekoppelt werden und mit der vollen Modulspannung zur Gesamtausgabespannung des jeweiligen Energieversorgungszweigs Z beitragen.For the basic base of the total output voltage of the respective power supply branch Z ensures the selection of a second number of energy storage modules 3 of the power supply branch Z, whose coupling devices 7 be driven in a continuous current operation, that is, that the coupling devices 7 be controlled so that their energy storage cell modules 5 be permanently coupled in the power supply branch Z and contribute with the full module voltage to the total output voltage of the respective power supply branch Z.

Damit die Last auf alle Energiespeicherzellen 5a bis 5k der unterschiedlichen Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs Z möglichst gleichmäßig verteilt wird, beispielsweise um eine gleichmäßige Entladung, thermische Belastung und Alterung aller Energiespeicherzellen 5a bis 5k zu erreichen, werden Ausgleichsregelmechanismen (sogenannte „Cell Balancing“-Verfahren) eingesetzt, die dafür Sorge tragen, dass die Leistungsfähigkeit der Energiespeichereinrichtung 1 möglichst langanhaltend und stetig hoch ist. Fertigungsbedingt gibt es Schwankungen bei Innenwiderstand und Kapazität von Energiespeicherzellen 5a bis 5k. Beispielsweise altern Energiespeicherzellen, die tiefenentladen werden, schneller, was zu Kapazitätsverlusten und einer Verstärkung des Zelldrifts führen kann. Andererseits lässt sich auch bei Energiespeicherzellen mit unterschiedlichem Ladungszustand die gesamte Summe aller Kapazitäten nicht in vollem Maße ausnutzen, da die Gesamtkapazität durch die jeweils schwächste Energiespeicherzelle bestimmt wird.So the load on all energy storage cells 5a to 5k the different energy storage modules 3 a power supply branch Z is distributed as evenly as possible, for example, a uniform discharge, thermal stress and aging of all energy storage cells 5a to 5k balancing mechanisms (so-called "cell balancing") are used, which ensure that the performance of the energy storage device 1 as long as possible and constantly high. For manufacturing reasons, there are fluctuations in internal resistance and capacity of energy storage cells 5a to 5k , For example, energy storage cells that are depleted of depth age faster, which can lead to capacity losses and enhancement of cell drift. On the other hand, even with energy storage cells with different state of charge, the total sum of all capacities can not be fully exploited, since the total capacity is determined by the respectively weakest energy storage cell.

In den Energiespeichermodulen 3 sind daher Stromsensoreinrichtungen eingebaut, welche in Serie zu den Energiespeicherzellen 5a bis 5k verbunden sind, und welche dazu ausgelegt sind, einen Strom durch das Energiespeicherzellenmodul 5 zu messen und als Modulstrommesssignal auszugeben. Hierzu können die Stromsensoreinrichtungen beispielsweise einen Stromsensor 8 wie etwa einen Shuntwiderstand oder einen Hallsensor aufweisen, die den Strom durch das Energiespeicherzellenmodul 5 messen. Über den Spannungsabfall an einem Shuntwiderstand 8 etwa, der über einen Operationsverstärker 9a geführt wird, wird ein Mikrocontroller 9b gespeist, der das Modulstrommesssignal an einen Kommunikationsbus K, wie etwa einen CAN-Bus, abgibt. Der Mikrocontroller 9b kann darüber hinaus über einen Triggerbus T Triggersignale empfangen, die beispielsweise eine Messung und darauf folgende Ausgabe von Modulstrommesssignalen anfordern können.In the energy storage modules 3 Therefore, current sensor devices are installed, which are in series with the energy storage cells 5a to 5k are connected, and which are adapted to a current through the energy storage cell module 5 to measure and output as Modulstrommesssignal. For this purpose, the current sensor devices can, for example, be a current sensor 8th such as a shunt resistor or a Hall sensor, the current through the energy storage cell module 5 measure up. About the voltage drop across a shunt resistor 8th about, via an operational amplifier 9a is led, becomes a microcontroller 9b which outputs the module current measurement signal to a communication bus K, such as a CAN bus. The microcontroller 9b In addition, it can receive trigger signals via a trigger bus T, which can request, for example, a measurement and subsequent output of module current measurement signals.

Der Triggerbus T und der Kommunikationsbus K können dabei alle der Stromsensoreinrichtungen in den Energiespeichermodulen 3 untereinander verbinden. Wie in 1 beispielhaft gezeigt, können der Triggerbus T und der Kommunikationsbus K gemeinsam mit dem Steuergerät 6 verbunden sein. Dadurch ist das Steuergerät 6 in der Lage, die Stromsensoreinrichtungen der einzelnen Energiespeichermodule 3 zu überwachen und gezielt anzusteuern. Das Steuergerät 6 dient daher nicht nur der Einstellung der Zweigspannungen der Energieversorgungszweige Z über die Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7, sondern auch der Koordinierung und Überwachung der Stromsensoreinrichtungen der Energiespeichermodule 3.The trigger bus T and the communication bus K can all of the current sensor devices in the energy storage modules 3 connect with each other. As in 1 shown by way of example, the trigger bus T and the communication bus K can be used together with the control unit 6 be connected. This is the controller 6 capable of the current sensor devices of the individual energy storage modules 3 to monitor and to target. The control unit 6 Therefore, not only serves to adjust the branch voltages of the power supply branches Z via the control of the coupling devices 7 , but also the coordination and monitoring of the current sensor devices of the energy storage modules 3 ,

Zusätzlich dazu kann das Steuergerät 6 auch Strommessinformationen über einen Zweigstromsensor 6a, wie etwa einen Shuntwiderstand, erhalten, der ein Messignal über einen Operationsverstärker 6b an das Steuergerät 6 direkt weitergibt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein Zweigstromsensor 6a mit einem Operationsverstärker 6b in 1 dargestellt, wobei jedoch ein derartiger Zweigstromsensor in jedem der Energieversorgungszweige Z angeordnet und mit dem Steuergerät 6 elektrisch verbunden sein kann.Additionally, the controller may 6 also current measurement information about a branch current sensor 6a , such as a shunt resistor, which receives a measurement signal via an operational amplifier 6b to the control unit 6 directly passes on. For clarity, there is only one branch current sensor 6a with an operational amplifier 6b in 1 however, such a branch current sensor is arranged in each of the power supply branches Z and connected to the control unit 6 can be electrically connected.

Um gezielt einzelne der Stromsensoreinrichtungen der Energiespeichermodule 3 überprüfen zu können, kann das Steuergerät 6 die durch die Energiespeichermodule 3 fließenden Ströme bei denjenigen Energiespeichermodulen 3 messen, die momentan im Dauerbetrieb betrieben werden. In diesen Energiespeichermodulen 3 fließt stets der konstante Strom des gesamten Energieversorgungszweigs Z. Die Energiespeichermodulen 3 messen, die momentan im pulsweitenmodulierten Betrieb betrieben werden, werden bei der Messung der Messung der Modulstrommesssignale temporär außer Betracht gelassen, da der durch diese Energiespeichermodule 3 fließenden Ströme (gewünschten) Schwankungen unterliegen.To specifically individual of the current sensor devices of the energy storage modules 3 The control unit can check 6 through the energy storage modules 3 flowing currents in those energy storage modules 3 measure, which are currently operated in continuous operation. In these energy storage modules 3 always flows the constant current of the entire power supply branch Z. The energy storage modules 3 measure, which are currently operated in the pulse width modulated operation, are temporarily disregarded in the measurement of the measurement of the module current measurement signals, since by these energy storage modules 3 flowing currents (desired) subject to fluctuations.

Aus den durch die Energiespeichermodule 3 der ersten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 fließenden Strommessignalen, das heißt den Energiespeichermodulen 3 im Dauerbetrieb, kann durch Mitteln in dem Steuergerät 6 ein Zweigstrommesssignal ermittelt werden. Das Zweigstrommesssignal entspricht dem durch den gesamten Energieversorgungszweig Z fließenden Strom. Unter idealen Bedingungen sollte das gemittelte Zweigstrommesssignal exakt den einzelnen Strommessignalen entsprechen.Out of those through the energy storage modules 3 the first number of energy storage modules 3 flowing current measuring signals, that is the energy storage modules 3 in continuous operation, can by means in the control unit 6 one Branch current measurement signal can be determined. The branch current measurement signal corresponds to the current flowing through the entire power supply branch Z. Under ideal conditions, the averaged branch current measurement signal should exactly match the individual current sense signals.

Aufgrund von Linearitätsfehlern, Ungenauigkeiten und Fertigungstoleranzen der verwendeten Stromsensoren kommt es in der Realität jedoch zu Abweichungen der einzelnen Strommessignale von dem gemittelten Zweigstrommesssignal. Das Steuergerät 6 kann hierzu eine Vielzahl von Messdifferenzen der Modulstrommesssignale zu dem gemittelten Zweigstrommesssignal berechnen, um die Stromsensoreinrichtungen der Energiespeichermodule 3 auf der Basis der Messdifferenzen zu kalibrieren. Jeder der an der Mittelung beteiligten Stromsensoreinrichtungen kann eine zugehörige Messdifferenz der berechneten Vielzahl von Messdifferenzen zugeordnet werden, die geeignete Kalibrierungsmaßnahmen, beispielsweise durch Einstellen eines Messoffsets in den Operationsverstärkern 9a oder digital in den Mikrocontrollern 9b erlaubt.Due to linearity errors, inaccuracies and manufacturing tolerances of the current sensors used, however, in reality deviations of the individual current measurement signals from the averaged branch current measurement signal occur. The control unit 6 For this purpose, it is possible to calculate a plurality of measurement differences of the module current measurement signals relative to the averaged branch current measurement signal in order to compare the current sensor devices of the energy storage modules 3 to calibrate on the basis of the measurement differences. Each of the current sensor devices involved in the averaging can be assigned an associated measurement difference of the calculated plurality of measurement differences, the appropriate calibration measures, for example by setting a measurement offset in the operational amplifiers 9a or digital in the microcontrollers 9b allowed.

Mit den ermittelten Messdifferenzen ist es auch vorteilhafterweise möglich, Ausgleichsregelmechanismen zu verbessern, da die Genauigkeit der Strommessungen verbessert wird. Darüber hinaus kann beispielsweise auch vorgesehen sein, diejenigen kritischen Messdifferenzen zu ermitteln, welche über einem vorbestimmten Messdifferenzschwellwert liegen, beispielsweise einer maximal zulässigen Abweichung von dem Zweigstrommesssignal. Für die Stromsensoreinrichtungen, für die kritische Messdifferenzen ermittelt worden sind, kann bestimmt werden, dass diese Stromsensoreinrichtungen defekt sind. In Folge dessen können die als defekt erkannten Stromsensoreinrichtungen beispielsweise deaktiviert werden. Zusätzlich dazu oder alternativ dazu kann auch ein Warnsignal durch das Steuergerät 6 ausgegeben werden, beispielsweise an eine Bordelektronik eines elektrisch bestriebenen Fahrzeugs, welche das elektrische Antriebssystem 100 nutzt, so dass der Fahrer erkennen kann, dass ein Fehler vorliegt, bzw. die Bordelektronik ein Notfallprogramm aktivieren kann.With the measured differences determined, it is also advantageously possible to improve compensation control mechanisms, since the accuracy of the current measurements is improved. In addition, it can also be provided, for example, to determine those critical measurement differences which are above a predetermined measurement difference threshold value, for example a maximum permissible deviation from the branch current measurement signal. For the current sensor devices for which critical measurement differences have been determined, it can be determined that these current sensor devices are defective. As a result, detected as defective current sensor devices can be disabled, for example. Additionally or alternatively, a warning signal may also be given by the controller 6 are output, for example, to an on-board electronics of an electrically driven vehicle, which the electric drive system 100 so that the driver can recognize that there is a fault, or the on-board electronics can activate an emergency program.

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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 (9)

Energiespeichereinrichtung (1), mit: einer Vielzahl von parallel geschalteten Energieversorgungszweigen (Z), welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1a, 1b, 1c) und eine Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige (Z) eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5k) aufweist, eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a, 7d; 7b, 7c), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu umgehen, und eine Stromsensoreinrichtung (8, 9a, 9b), welche in Serie zu der mindestens einen Energiespeicherzelle (5a, 5k) verbunden ist, und welche dazu ausgelegt ist, einen Strom durch das Energiespeicherzellenmodul (5) zu messen und als Modulstrommesssignal auszugeben; und einem Steuergerät (6), welches mit jeder der Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) gekoppelt ist, und welches dazu ausgelegt ist, die Modulstrommesssignale der Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) zu verarbeiten, wobei das Steuergerät (6) weiterhin dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen (7) der Energiespeichermodulen (3) entweder im pulsweitenmodulierten Betrieb oder im Dauerstrombetrieb anzusteuern, und nur die Modulstrommesssignale der Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) derjenigen Energiespeichermodule (3), die im Dauerstrombetrieb angesteuert werden, zu einem Zweigstrommesssignal zu mitteln.Energy storage device ( 1 ), comprising: a plurality of parallel-connected power supply branches (Z) which in each case between an output terminal ( 1a . 1b . 1c ) and a reference potential rail ( 4 ), each of the power supply branches (Z) having a multiplicity of energy storage modules ( 3 ), each comprising: an energy storage cell module ( 5 ), which at least one energy storage cell ( 5a . 5k ), a coupling device ( 7 ) with coupling elements ( 7a . 7d ; 7b . 7c ), which are adapted to the energy storage cell module ( 5 ) selectively in the respective power supply branch (Z) or to bypass in the respective power supply branch (Z), and a current sensor device ( 8th . 9a . 9b ) which in series with the at least one energy storage cell ( 5a . 5k ) and which is adapted to supply a current through the energy storage cell module ( 5 ) and output as a module current measurement signal; and a controller ( 6 ) associated with each of the current sensing devices ( 8th . 9a . 9b ) and which is adapted to control the module current measurement signals of the current sensor devices ( 8th . 9a . 9b ), whereby the control unit ( 6 ) is further adapted to provide the coupling devices ( 7 ) of the energy storage modules ( 3 ) either in the pulse width modulated mode or in the continuous current mode, and only the module current measurement signals of the current sensor devices ( 8th . 9a . 9b ) of those energy storage modules ( 3 ), which are driven in continuous current mode, to average to a branch current measurement signal. Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinrichtungen (7) Koppelelemente (7a, 7d; 7b, 7c) in Vollbrückenschaltung umfassen.Energy storage device ( 1 ) according to claim 1, wherein the coupling devices ( 7 ) Coupling elements ( 7a . 7d ; 7b . 7c ) in full bridge connection. Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppeleinrichtungen (7) Koppelelemente (7a, 7d; 7b, 7c) in Halbbrückenschaltung umfassen. Energy storage device ( 1 ) according to claim 1, wherein the coupling devices ( 7 ) Coupling elements ( 7a . 7d ; 7b . 7c ) in half-bridge circuit. Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) jeweils einen Shuntwiderstand (8) oder einen Hallsensor zur Strommessung aufweisen.Energy storage device ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the current sensor devices ( 8th . 9a . 9b ) each have a shunt resistor ( 8th ) or a Hall sensor for current measurement. Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Steuergerät (6) weiterhin dazu ausgelegt ist, eine Vielzahl von Messdifferenzen der Modulstrommesssignale zu dem gemittelten Zweigstrommesssignal zu berechnen, und die Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) der Energiespeichermodule (3) auf der Basis einer zugehörigen Messdifferenz der berechneten Vielzahl von Messdifferenzen zu kalibrieren.Energy storage device ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the control device ( 6 ) is further configured to calculate a plurality of measurement differences of the module current measurement signals to the averaged branch current measurement signal, and the current sensor devices ( 8th . 9a . 9b ) of the energy storage modules ( 3 ) to calibrate based on an associated measurement difference of the calculated plurality of measurement differences. Elektrisches Antriebssystem (100), mit: einer Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2) mit einer Vielzahl von Phasenleitungen (2a, 2b, 2c), welche mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse (1a, 1b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt sind.Electric drive system ( 100 ), comprising: an energy storage device ( 1 ) according to any one of claims 1 to 5; and a polyphase electrical machine ( 2 ) with a plurality of phase lines ( 2a . 2 B . 2c ), each with one of the output terminals ( 1a . 1b . 1c ) of the energy storage device ( 1 ) are coupled. Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den Schritten: Auswählen einer ersten Anzahl von Energiespeichermodulen (3) eines Energieversorgungszweigs (Z) der Energiespeichereinrichtung (1), deren Koppeleinrichtungen (7) in einem pulsweitenmodulierten Betrieb angesteuert werden; Auswählen einer zweiten Anzahl von Energiespeichermodulen (3) des Energieversorgungszweigs (Z) der Energiespeichereinrichtung (1), deren Koppeleinrichtungen (7) in einem Dauerstrombetrieb angesteuert werden; Messen des durch die Energiespeichermodule (3) der ersten Anzahl von Energiespeichermodulen (3) fließenden Stroms zum Erzeugen von ersten Strommessignalen; und Berechnen eines Zweigstrommesssignals durch Mitteln nur der ersten Strommessignale.Method for operating an energy storage device ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, comprising the steps of: selecting a first number of energy storage modules ( 3 ) of a power supply branch (Z) of the energy storage device ( 1 ), whose coupling devices ( 7 ) are controlled in a pulse width modulated operation; Select a second number of energy storage modules ( 3 ) of the power supply branch (Z) of the energy storage device ( 1 ), whose coupling devices ( 7 ) are driven in a continuous current operation; Measuring the energy storage modules ( 3 ) of the first number of energy storage modules ( 3 ) flowing current for generating first current measuring signals; and calculating a branch current measurement signal by averaging only the first current measurement signals. Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin mit den Schritten: Berechnen einer Vielzahl von Messdifferenzen der ersten Strommessignale zu dem gemittelten Zweigstrommesssignal; und Kalibrieren der Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) der ersten Anzahl von Energiespeichermodulen (3) auf der Basis einer zugehörigen Messdifferenz der berechneten Vielzahl von Messdifferenzen.The method of claim 7, further comprising the steps of: calculating a plurality of measurement differences of the first current measurement signals to the averaged branch current measurement signal; and calibrating the current sensor devices ( 8th . 9a . 9b ) of the first number of energy storage modules ( 3 ) based on an associated measurement difference of the calculated plurality of measurement differences. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin mit den Schritten: Ermitteln von kritischen Messdifferenzen, welche über einem vorbestimmten Messdifferenzschwellwert liegen; Bestimmen, dass den kritischen Messdifferenzen zugehörige Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) der ersten Anzahl von Energiespeichermodulen (3) defekt sind; und Deaktivieren der defekten Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b) und/oder Ausgeben eines Warnsignals zur Erkennung der defekten Stromsensoreinrichtungen (8, 9a, 9b).The method of claim 8, further comprising the steps of: determining critical measurement differences that are above a predetermined measurement difference threshold; Determining that current sensor devices associated with the critical measurement differences ( 8th . 9a . 9b ) of the first number of energy storage modules ( 3 ) are defective; and deactivating the defective current sensor devices ( 8th . 9a . 9b ) and / or outputting a warning signal for detecting the defective current sensor devices ( 8th . 9a . 9b ).
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