DE102022112688B3 - Reconfigurable battery with additional voltage outputs - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt eine rekonfigurierbare Batterie für ein elektrisches Traktionssystem mit vollständiger Steuerung nicht nur von Wechselspannungsphasen (101, 102, 109) für eine Multiphasenlast (108), sondern auch mindestens einen weiteren Gleich- oder Wechselspannungsausganges (107), ohne dass es hierzu zusätzlicher gesteuerter Schalter bedürfe oder die Wechselspannungsphasen (101, 102, 109) beeinträchtigt würden. Ferner wird ein Verfahren zur Bereitstellung des mindestens einen weiteren Gleich- oder Wechselspannungsausgangs (107) erläutert.

Figure DE102022112688B3_0000
The present invention proposes a reconfigurable battery for an electric traction system with complete control not only of AC voltage phases (101, 102, 109) for a multi-phase load (108), but also at least one further DC or AC voltage output (107), without the need for additional controlled switch required or the AC voltage phases (101, 102, 109) would be affected. A method for providing the at least one further DC or AC voltage output (107) is also explained.
Figure DE102022112688B3_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rekonfigurierbare Batterie mit mehreren Phasen und mindestens einem weiteren bzw. zusätzlichen Spannungsausgang. Ferner wird ein Verfahren zur Bereitstellung des mindestens einen weiteren Spannungsausgangs an der rekonfigurierbaren Batterie beansprucht.The present invention relates to a reconfigurable battery with multiple phases and at least one further or additional voltage output. A method for providing the at least one further voltage output at the reconfigurable battery is also claimed.

Modulare oder kaskadierte Wandler entwickeln sich zunehmend zu populären Vertretern von Wechselstrom- und Gleichstromsystemen. Intelligent geschaltete Batterien mit Wechselspannungsausgang erfüllen inzwischen eine ganze Reihe an lange geforderten technischen Eigenschaften, wie bspw. eine verbesserte Flexibilität, durch zusätzliche Freiheitsgrade erleichterte höhere Steuerbarkeit, verbesserte Qualität in der bereitgestellten Ausgangsspannung, und nicht zuletzt berechenbare Skalierbarkeit. Durch neueste Weiterentwicklung von Energiespeichern hin zu höheren Energiestufen und Leistungen, entwickeln sich die Systeme weiter zu höheren Spannungen bei gleichzeitig verminderten Strömen, um eine gleiche Nennleistung zu erzielen, oder gar um bei gleichbleibenden Strömen sogar höhere Leistungen bereitzustellen. Jedoch gehen mit höheren Spannungsstufen auch Nachteile einher, wie bspw. Vorgaben höherer Nennspannungen für Lasten, bspw. elektrische Maschinen von Elektrofahrzeugen, oder Halbleiter und/oder zusätzliche Leistungsstufen, was automatisch einen höheren Wartungsaufwand, Leistungsverlust, oder höhere Kosten erzeugt. Außerdem sind für viele Anwendungen multiple Ausgänge mit unterschiedlichen Spannungsstufen notwendig, welche zu einer Erhöhung einer Anzahl benötigter Wandlerstufen und damit Kosten führen.Modular or cascaded converters are becoming increasingly popular representatives of both AC and DC systems. Intelligently switched batteries with AC voltage output now meet a whole range of long-requested technical properties, such as improved flexibility, greater controllability facilitated by additional degrees of freedom, improved quality in the output voltage provided, and last but not least predictable scalability. Due to the latest advances in energy storage towards higher energy levels and performance, the systems are evolving towards higher voltages with reduced currents at the same time in order to achieve the same nominal performance, or even to provide even higher performance with the same currents. However, there are also disadvantages associated with higher voltage levels, such as higher nominal voltage specifications for loads, e.g. electric machines of electric vehicles, or semiconductors and/or additional power levels, which automatically result in higher maintenance effort, loss of performance, or higher costs. In addition, multiple outputs with different voltage levels are necessary for many applications, which leads to an increase in the number of converter stages required and thus to costs.

In vielen Anwendungen, bspw. Elektrofahrzeugen, ist im Energieversorgungssystem mehr als ein (zumeist dreiphasiger) Wechselspannungsausgang notwendig. Gefragt ist zudem ein Gleichspannungsausgang für Verbraucher, welche eine nur schwache Leistung benötigen. Rekonfigurierbare Batterien auf der Grundlage modularer Multilevelkonverter, gegebenenfalls mit serieller und paralleler Verschaltungsmöglichkeit, welche durch Modulation der Modulverschaltungen (bzw. deren Energiespeicher) einen Wechselstrom bereitstellen und im Folgenden als Wechselstrombatterien bezeichnet werden, bieten zwar viele Vorteile, sind jedoch noch immer in einer Bereitstellung multipler Phasen beschränkt. So erlaubt eine Steuerung der in Strängen angeordneten Module bislang nur eine Ausgabe einer einzelnen Phase oder einer einzelnen Gleichspannung pro Strang. Zudem ist eine Ladungsaustauschmöglichkeit zwischen verschiedenen Strängen äußerst beschränkt. So ergibt sich im Stand der Technik, dass mit bisherigen Verfahren pro bereitzustellende Phase/Gleichspannung zumindest ein Strang oder eine Leistungsstufe notwendig ist.In many applications, e.g. electric vehicles, more than one (usually three-phase) AC voltage output is required in the energy supply system. A DC voltage output is also required for consumers who only need weak power. Reconfigurable batteries based on modular multilevel converters, possibly with serial and parallel connection options, which provide an alternating current by modulating the module connections (or their energy storage) and are referred to below as AC batteries, offer many advantages, but are still being provided multiple phases limited. Up until now, controlling the modules arranged in strings has only allowed an individual phase or a single DC voltage to be output per string. In addition, the possibility of charge exchange between different strands is extremely limited. In the prior art, for example, at least one phase or one power stage is required with previous methods for each phase/DC voltage to be provided.

Die Druckschrift WO 2014/145756 A1 offenbart ein rekonfigurierbares Energiespeichersystem, welches einzelne oder mehrere Energiemodule aufweist, wobei ein jeweiliges Energiemodul zumindest zwei Input/Output-Anschlüsse umfasst und mindestens vier Schalter aufweist, wodurch eine Energiespeichereinheit des jeweiligen Energiemoduls seriell mit benachbarten Energiemodulen verschaltet werden oder sogar umgangen werden kann. Die Schalter sind mit einer Steuerung verbunden, welche eine Konfiguration der Energiemodule zur Ausgabe einer gewünschten Spannung vornimmt.The pamphlet WO 2014/145756 A1 discloses a reconfigurable energy storage system which has one or more energy modules, with a respective energy module comprising at least two input/output connections and having at least four switches, whereby an energy storage unit of the respective energy module can be connected in series with neighboring energy modules or can even be bypassed. The switches are connected to a controller which configures the energy modules to output a desired voltage.

In der US-amerikanischen Druckschrift US 2017/0217318 A1 wird ein rekonfigurierbares Batteriepack mit mehreren rekonfigurierbaren Einheiten wie etwa Energiezellen, Schalter oder Umschalter, die mit den rekonfigurierbaren Einheiten innerhalb des rekonfigurierbaren Batteriepacks gekoppelt sind, beschrieben. Die Schalter oder Umschalter können dergestalt gesteuert werden, dass die rekonfigurierbaren Einheiten gemäß Lasten mit unterschiedlichen Leistungs- oder Spannungsspezifikationen, die direkt mit dem rekonfigurierbaren Batteriepack verbunden sind, neu konfiguriert werden.In the US publication U.S. 2017/0217318 A1 describes a reconfigurable battery pack having multiple reconfigurable units, such as power cells, switches, or toggles coupled to the reconfigurable units within the reconfigurable battery pack. The switches or toggles can be controlled such that the reconfigurable units are reconfigured according to loads with different power or voltage specifications that are connected directly to the reconfigurable battery pack.

Obwohl es möglich ist, durch einen jeweiligen Abgriff zwischen den im Strang angeordneten Modulen eine jeweilige Last zu versorgen, also jeweilige Gruppen von Modulen im einzelnen Strang den jeweiligen Lasten zuzuordnen, ist die Steuerung der Module bei einer solchen Vorgehensweise stark eingeschränkt, da eine jeweilig bereitgestellte Leistung durch die im Strang miteinander verbundenen Module gekoppelt ist. So muss an diejenigen Module, die zeitweilig einer höheren Last ausgesetzt sind, aus den anderen Modulen im Strang eine Ausgleichsladung fließen. Außerdem können bei der Steuerung des einzelnen Stranges jeweilige Steuerungsziele der jeweiligen Gruppen zueinander in Widerspruch geraten. Auch kann die jeweilig ausgegebene Spannung Störungen aufweisen, oder es kann eine Anordnung zusätzlicher (gesteuerter) Halbleiterschalter notwendig werden. Schließlich führt eine zusätzliche Belastung innerhalb nur eines Teiles des Stranges neben den Ladungsausgleichsproblemen immer auch zu unnötigen Verlusten.Although it is possible to supply a respective load through a respective tap between the modules arranged in the string, i.e. to assign respective groups of modules in the individual string to the respective loads, the control of the modules is severely restricted with such a procedure, since a respective provided Power is coupled through the modules connected to each other in the string. For example, an equalizing charge must flow from the other modules in the string to those modules that are temporarily exposed to a higher load. In addition, when controlling the individual strand, the respective control goals of the respective groups can contradict one another. The respectively output voltage can also have interference, or an arrangement of additional (controlled) semiconductor switches can become necessary. After all, an additional load within just one part of the strand always leads to unnecessary losses in addition to the charge balancing problems.

Die Druckschrift WO 2017/058253 A1 erörtert einen modularen Multilevelkonverter mit mehreren in oberen und unteren Zweigen angeordneten Energiemodulen. Durch einen jeweiligen Abgriff zwischen den oberen und unteren Zweigen wird eine jeweilige Wechselspannung für eine mehrphasige Last bereitgestellt.The pamphlet WO 2017/058253 A1 discusses a modular multilevel converter with multiple power modules arranged in upper and lower branches. A respective AC voltage for a multi-phase load is provided by a respective tap between the upper and lower branches.

Die Druckschrift DE 10 2018 003 642 A1 beschreibt einen dreiphasigen Wechselrichter zur Versorgung eines Elektromotors. Der dreiphasige Wechselrichter weist zwei einphasige Wechselrichter mit jeweils in Reihe geschalteten Batteriemodulen auf, wobei die beiden einphasigen Wechselrichter miteinander seriell verschaltet sind.The pamphlet DE 10 2018 003 642 A1 describes a three-phase inverter for supplying an electric motor. The three-phase inverter has two single-phase inverters, each with battery modules connected in series, the two single-phase inverters being connected to one another in series.

Generell ist es bei Anwendungen im Elektrofahrzeugbereich wünschenswert, im Batteriepack möglichst hohe Spannungsstufen erreichen zu können, um eine Ladedauer zu minimieren, wobei eine Hochvolt-Batterie zu einer Erhöhung der Nennspannungsvorgaben für andere im Elektrofahrzeug verbaute Komponenten, wie bspw. Halbleiter oder Traktionsmotor, führt. Dies kann sich als nachteilig erweisen, da bspw. ein Hochvolt-Inverter zur Wechselspannungserzeugung bei konventionellen, nur Gleichspannung ausgebenden Batteriepacks mit höheren Kosten verbunden ist.In general, for applications in the electric vehicle sector, it is desirable to be able to achieve the highest possible voltage levels in the battery pack in order to minimize the charging time, with a high-voltage battery leading to an increase in the nominal voltage specifications for other components installed in the electric vehicle, such as semiconductors or traction motors. This can prove disadvantageous since, for example, a high-voltage inverter for generating AC voltage is associated with higher costs in conventional battery packs that only output DC voltage.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem mit mehreren bereitgestellten Wechselspannungsphasen für eine Last vorzuschlagen, an welchem zusätzliche Wechsel- oder Gleichspannungsanschlüsse bereitgestellt werden, welche sowohl galvanisch isoliert, d. h. galvanisch getrennt wie galvanisch nicht-isoliert sind. Dabei soll ein jeweiliger zusätzlicher Wechsel- oder Gleichspannungsanschluss, welcher mit einer zusätzlichen Last verbunden bzw. zu verbinden ist, die außerdem bereitgestellten Wechselspannungsphasen nicht stören. Ferner soll ein Verfahren zur Steuerung des Batteriesystems beansprucht werden.Against this background, it is an object of the present invention to propose a battery system with a plurality of AC voltage phases provided for a load, at which additional AC or DC voltage connections are provided which are both galvanically isolated, i. H. are galvanically isolated and galvanically non-isolated. A respective additional AC or DC voltage connection, which is connected or is to be connected to an additional load, should not disturb the AC voltage phases that are also provided. Furthermore, a method for controlling the battery system is to be claimed.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird eine rekonfigurierbare Batterie mit mehreren Spannungsausgängen vorgeschlagen, wobei die rekonfigurierbare Batterie eine Steuerung und eine Anzahl an K*M seriell miteinander verbundenen Strängen von jeweils N seriell miteinander verbundenen Modulen umfasst. Dabei sind K, M>1, und N positive ganze Zahlen. Ein jeweiliges Modul weist mindestens einen Energiespeicher und mindestens zwei Halbleiterschalter auf. Die rekonfigurierbare Batterie ist dazu ausgestaltet, den mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Moduls mit dem mindestens einen Energiespeicher eines anderen Moduls zu verschalten. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, die Schalter der Module mittels pulsweitenmodulierter Steuersignale zu steuern. Einem jeweiligen Strang ist ein jeweiliges phasenverschobenes Trägersignal zugeordnet. Durch einen jeweiligen Abgriff unmittelbar vor einem ersten Modul des jeweiligen Stranges und unmittelbar nach einem letzten Modul des jeweiligen Stranges ist ein jeweiliger Spannungsausgang für eine jeweilige Phase für eine K*M-phasige Last bereitgestellt. Durch mindestens einen weiteren Abgriff um mindestens einen Strang der K*M Stränge ist mindestens ein weiterer Spannungsausgang bereitgestellt. Zwischen jeweiligem Abgriff und der K*M-phasigen Last, sowie zwischen jeweiligem weiteren Abgriff und jeweiligem weiteren Spannungsausgang ist ein jeweiliges Relais angeordnet. Die rekonfigurierbare Batterie ist über einen Ladeanschluss aufladbar.A reconfigurable battery with a plurality of voltage outputs is proposed to solve the above-mentioned task, the reconfigurable battery comprising a controller and a number of K*M series-connected strings of N series-connected modules. where K, M>1, and N are positive integers. A respective module has at least one energy store and at least two semiconductor switches. The reconfigurable battery is designed to connect the at least one energy store of the respective module to the at least one energy store of another module. The controller is configured to control the switches of the modules using pulse width modulated control signals. A respective phase-shifted carrier signal is assigned to a respective strand. A respective voltage output for a respective phase for a K*M-phase load is provided by a respective tap directly before a first module of the respective string and directly after a last module of the respective string. At least one further voltage output is provided by at least one further tap around at least one strand of the K*M strands. A respective relay is arranged between the respective tap and the K*M-phase load, and between the respective further tap and the respective further voltage output. The reconfigurable battery is rechargeable via a charging port.

Damit stellt die erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie weitere Spannungsausgänge bereit, ohne dass hierfür zusätzliche steuerbare Halbleiter angeordnet werden müssten.The reconfigurable battery according to the invention thus provides further voltage outputs without additional controllable semiconductors having to be arranged for this purpose.

Die erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie weist in einer Reihe insgesamt K*M*N seriell miteinander verbundene Module auf, wobei als Mindestanforderung an eine Mikrotopologie des jeweiligen Moduls für den mindestens einen Energiespeicher und die mindestens zwei Halbleiterschalter gilt, dass durch das jeweilige Modul eine positive und negative Spannung +/- Vm bereitgestellt wird. Ein System mit solchen Modulen stellt bspw. einen von R. Marquardt in der Druckschrift US 2018 / 0 109 202 A1 offenbarten modularen Multilevelkonverter, auch als MMC oder M2C abgekürzt, dar.The reconfigurable battery according to the invention has a total of K*M*N series-connected modules in a row, the minimum requirement for a microtopology of the respective module for the at least one energy store and the at least two semiconductor switches being that the respective module has a positive and negative Voltage +/- V m is provided. A system with such modules is, for example, one by R. Marquardt in the publication U.S. 2018/0 109 202 A1 disclosed modular multilevel converter, also abbreviated as MMC or M2C.

Bei Multiphasenlasten mit einzelnen voneinander isolierten Phasen, wie es bspw. bei elektrischen Maschinen der Fall ist, kann eine Lastversorgung durch Abgriffe an den Strängen von Modulen, wie bei der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie beschrieben, erfolgen. Phasenverschobene Trägersignalmodulation, im Englischen als „Phase shifted carrier (PSC) modulation“ bezeichnet, stellt dabei eine der gebräuchlichsten Techniken dar, welche bei gleichzeitig geringem Aufwand sowohl ein Scheduling wie auch eine Modulation der Module bereitstellt. Generell können jedoch auch andere Techniken zur Steuerung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie angewendet werden.In the case of multi-phase loads with individual phases that are isolated from one another, as is the case, for example, with electrical machines, the load can be supplied by tapping off the strands of modules, as described in the case of the reconfigurable battery according to the invention. Phase-shifted carrier signal modulation, referred to as "phase shifted carrier (PSC) modulation", is one of the most common techniques, which provides both scheduling and modulation of the modules with little effort. In general, however, other techniques for controlling the reconfigurable battery according to the invention can also be used.

Bei der phasenverschobenen Trägersignalmodulation wird eine optimale Quantisierung bei einer pro Phase bereitgestellten Spannung durch eine gleichmäßige Phasenverschiebung der Trägersignale erreicht. Dies ist für eine Schaltperiode bei N Modulen durch eine Phasenverschiebung von 2π/N gegeben. Andererseits gibt es keine speziellen Beschränkungen für Phasenverschiebungen von sich auf unterschiedliche Phasen (hier: unterschiedliche Stränge) beziehenden Trägersignalen: ein diesbezüglicher Phasenunterschied hat keinerlei Auswirkung auf eine Qualität der pro Phase bereitgestellten Spannung. Jedoch hat ein solcher Phasenunterschied, also ein unterschiedlicher Startpunkt eines „Loslaufens“ der jeweiligen Trägersignale unterschiedlicher Stränge, sehr wohl Auswirkungen auf eine bei einem Abgriff um alle Stränge erhaltene Gesamtspannung Vtotal, welche einer Klemmenspannung zwischen einem erstem Pol angeordnet vor dem ersten Modul des ersten Strangs und einem zweiten Pol angeordnet nach dem letzten Modul des letzten Strangs entspricht.In phase-shifted carrier signal modulation, optimal quantization is achieved with a voltage provided per phase by a uniform phase shift of the carrier signals. For a switching period with N modules, this is given by a phase shift of 2π/N. On the other hand, there are no special restrictions for phase shifts of carrier signals relating to different phases (here: different strands): a phase difference in this regard has no effect whatsoever on a quality of the voltage provided per phase. However, such a Pha difference, i.e. a different starting point of a "starting" of the respective carrier signals of different strands, very well effects on a total voltage V total obtained when tapping around all strands, which corresponds to a terminal voltage between a first pole arranged in front of the first module of the first strand and a second pole arranged after the last module of the last string corresponds.

Befindet sich die erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie in einem Lademodus, sind bspw. alle Relais geöffnet und damit die jeweiligen Lasten von der rekonfigurierbaren Batterie getrennt. Für diesen Fall können vorteilhaft Nennspannungen der jeweiligen Lasten niedriger sein als eine Ladespannung, welche sich gegebenenfalls im Hochvolt-Bereich befindet, um ein Schnellladen zu vollziehen. Durch den an die gesamte Reihe an K*M*N seriell miteinander verbundenen Modulen angeschlossenen Ladeanschluss werden alle Energiespeicher der Module gleichmäßig geladen, so dass vorteilhaft eine Notwendigkeit für einen sich anschließenden Ladungsausgleich reduziert wird. Je nach Art eines angeschlossenen Ladestroms, kann die erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie dynamisch moduliert werden (Lade-Wechselstrom) oder einen konstanten Spannungswert entsprechend einer Nenn-Ladespannung erwarten (Lade-Gleichstrom).If the reconfigurable battery according to the invention is in a charging mode, for example all relays are open and the respective loads are thus disconnected from the reconfigurable battery. In this case, nominal voltages of the respective loads can advantageously be lower than a charging voltage, which may be in the high-voltage range, in order to carry out rapid charging. With the charging port connected to the entire row of K*M*N modules serially connected to each other, all energy stores of the modules are charged evenly, so that advantageously a need for subsequent charge equalization is reduced. Depending on the type of charging current connected, the reconfigurable battery according to the invention can be dynamically modulated (AC charging current) or expect a constant voltage value corresponding to a nominal charging voltage (DC charging current).

In einem Betriebsmodus, bei dem die erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie bspw. durch einen Traktionsmotor als mehrphasige Last entladen wird, ist eine gleichmäßige Lastverteilung auf die Module mittels der Steuerung möglich, wodurch sich auch hier vorteilhaft die Notwendigkeit zum Ladungsausgleich vermindert. Vorteilhaft wird durch die überlappende Ansteuerung eine höhere Schaltfrequenz erreicht. Da die erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie in eine Anzahl an Phasen der Multiphasenlast unterteilt ist, kann eine Maximalspannung der Batterie wesentlich höher ausfallen, als eine Nennspannung der Multiphasenlast oder der weiteren angeschlossenen Lasten. Daher kann bspw. bei einem Dreiphasenmotor mit 400 V Nennspannung ein Hochvolt-Batteriepack mit bspw. 1200 V verwendet werden, deren erfindungsgemäße Unterteilung in drei Stränge zu jeweils 400 V genau den Bedürfnissen des Dreiphasenmotors entspricht.In an operating mode in which the reconfigurable battery according to the invention is discharged, for example by a traction motor as a multi-phase load, the controller can distribute the load evenly over the modules, which advantageously reduces the need for charge equalization here as well. A higher switching frequency is advantageously achieved by the overlapping control. Since the reconfigurable battery according to the invention is divided into a number of phases of the multi-phase load, a maximum voltage of the battery can be significantly higher than a nominal voltage of the multi-phase load or the other connected loads. Therefore, for example, in a three-phase motor with a nominal voltage of 400 V, a high-voltage battery pack with, for example, 1200 V can be used, the division of which according to the invention into three strands of 400 V each corresponds exactly to the needs of the three-phase motor.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie ist der mindestens eine weitere Spannungsausgang durch Abgriff vor einem ersten Modul des ersten Stranges und nach einem letzten Modul des letzten Stranges bereitgestellt.In one embodiment of the reconfigurable battery according to the invention, the at least one further voltage output is provided by being tapped before a first module of the first string and after a last module of the last string.

In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbare Batterie ist der mindestens eine weitere Spannungsausgang durch Abgriff um eine Gruppe von M aneinandergereihten Strängen der K*M Stränge, deren jeweilige Phasenverschiebungen zusammengenommen 360 Grad ergeben, bereitgestellt. Ein damit bereitgestelltes Spannungssignal kann eine sehr hohe Frequenz bis zu K*N*M mal einer Schaltfrequenz eines einzelnen Modul aufweisen, so dass ein Filter oder ein Transformator, um den weiteren Spannungsausgang in Bezug auf die Module galvanisch zu isolieren, entsprechend klein ausfallen kann.In another embodiment of the reconfigurable battery according to the invention, the at least one further voltage output is provided by tapping around a group of M strings of the K*M strings lined up next to one another, whose respective phase shifts together result in 360 degrees. A voltage signal provided in this way can have a very high frequency of up to K*N*M times the switching frequency of an individual module, so that a filter or a transformer to galvanically isolate the further voltage output in relation to the modules can be correspondingly small.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie ist die Steuerung dazu konfiguriert, durch Modifizierung der Phasenverschiebung der Trägersignale zwischen verschiedenen Strängen der K*M Stränge einen Spannungswert an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang zu regeln.In a further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention, the controller is configured to regulate a voltage value at the at least one further voltage output by modifying the phase shift of the carrier signals between different strands of the K*M strands.

Durch Steuerung der Phasenverschiebung zwischen Trägersignalen verschiedener Phasen wird ein Spannungssignal der Gesamtspannung Vtotal ohne nachteilige Auswirkungen auf eine Qualität oder eine Signalform der pro Phase bereitgestellten Spannung modifiziert. Das bereitgestellte Spannungssignal ist eine Wechselspannung mit einer Frequenz von bis zu K*M mal einer Schaltfrequenz eines einzelnen Moduls, wobei eine Amplitude einen Betragswert zwischen 0 V und der Zahl an Phasen mal einem Modulspannungswert Vm annehmen kann. Mittels geeigneter Steuerung ist es möglich, eine maximal auftretende Gesamtspannung auf einen Bereich zwischen +Vm und -Vm zu begrenzen, woraus bei solch relativ geringen Spannungswerten weitere Vorteile für eine Auswahl preiswerter Halbleiter erwachsen.By controlling the phase shift between carrier signals of different phases, a voltage signal of the total voltage V total is modified without adverse effects on a quality or a waveform of the voltage provided per phase. The voltage signal provided is an AC voltage with a frequency of up to K*M times a switching frequency of an individual module, wherein an amplitude can assume a magnitude value between 0 V and the number of phases times a module voltage value V m . By means of suitable control, it is possible to limit a maximum total voltage that occurs to a range between +V m and -V m , which at such relatively low voltage values results in further advantages for a selection of inexpensive semiconductors.

In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie ist der mindestens eine weitere Spannungsausgang von dem mindestens einen weiteren Abgriff galvanisch isoliert oder galvanisch nicht-isoliert.In yet another embodiment of the reconfigurable battery according to the invention, the at least one further voltage output is galvanically isolated or not galvanically isolated from the at least one further tap.

In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie ist eine an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang bereitgestellte Ausgabespannung eine Wechselspannung.In a still further refinement of the reconfigurable battery according to the invention, an output voltage provided at the at least one further voltage output is an AC voltage.

In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie ist eine an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang bereitgestellte Ausgabespannung gleichgerichtet.In an even further developed embodiment of the reconfigurable battery according to the invention, an output voltage provided at the at least one further voltage output is rectified.

In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie werden K weitere Spannungsausgänge des mindestens einen weiteren Spannungsausganges bereitgestellt, wobei für den jeweiligen weiteren Spannungsausgang ein jeweiliger Abgriff um jeweilig M aneinandergereihte Stränge gebildet ist.In a continued further refinement of the reconfigurable battery according to the invention, K further voltage outputs of the at least one further voltage output are provided, with a respective tap being formed around M strings lined up in a row for the respective further voltage output.

In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie ist die Steuerung dazu konfiguriert, den mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Moduls seriell oder parallel oder unter Umgehung mindestens einen Energiespeichers eines benachbarten Moduls mit mindestens einem Energiespeicher eines anderen Moduls zu verschalten. Ein System mit solcher Art an Modulen wird bspw. beschrieben in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225.In a further refinement of the reconfigurable battery according to the invention, the controller is configured to connect the at least one energy store of the respective module to at least one energy store of another module in series or in parallel or bypassing at least one energy store of an adjacent module. A system with this kind of modules is described, for example, in “Goetz, SM; Peterchev, A.V.; Weyh, T., "Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225.

Ferner wird ein Verfahren zur Bereitstellung von Spannungsausgängen an einer rekonfigurierbaren Batterie beansprucht, wobei die rekonfigurierbare Batterie eine Steuerung und eine Anzahl an K*M seriell miteinander verbundenen Strängen von jeweils N seriell miteinander verbundenen Modulen umfasst. Dabei sind K, M>1, und N positive ganze Zahlen. Ein jeweiliges Modul weist mindestens einen Energiespeicher und mindestens zwei Halbleiterschalter auf. Die rekonfigurierbare Batterie ist dazu ausgestaltet, den mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Moduls mit dem mindestens einen Energiespeicher eines anderen Moduls zu verschalten. Die Schalter der Module werden mittels pulsweitenmodulierter Steuersignale gesteuert. Einem jeweiligen Strang wird ein jeweiliges phasenverschobenes Trägersignal zugeordnet. An dem jeweiligen Strang wird ein jeweiliger Abgriff für einen jeweiligen Spannungsausgang einer jeweiligen Phase für eine K*M-phasige Last bereitgestellt. Durch mindestens einen weiteren Abgriff um mindestens einen Strang der K*M Stränge wird mindestens ein weiterer Spannungsausgang bereitgestellt. Zwischen jeweiligem Abgriff und der K*M-phasigen Last, sowie zwischen jeweiligem weiteren Abgriff und jeweiligem weiteren Spannungsausgang wird ein jeweiliges Relais angeordnet, und an der rekonfigurierbaren Batterie wird ein Ladeanschluss angeordnet.Furthermore, a method for providing voltage outputs on a reconfigurable battery is claimed, the reconfigurable battery comprising a controller and a number of K*M series-connected strings of N series-connected modules. where K, M>1, and N are positive integers. A respective module has at least one energy store and at least two semiconductor switches. The reconfigurable battery is designed to connect the at least one energy store of the respective module to the at least one energy store of another module. The switches of the modules are controlled using pulse width modulated control signals. A respective phase-shifted carrier signal is assigned to a respective strand. A respective tap for a respective voltage output of a respective phase for a K*M-phase load is provided on the respective strand. At least one further voltage output is provided by at least one further tap around at least one strand of the K*M strands. A respective relay is arranged between the respective tap and the K*M-phase load and between the respective further tap and the respective further voltage output, and a charging connection is arranged on the reconfigurable battery.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie bereitgestellt.In one embodiment of the method according to the invention, a reconfigurable battery according to the invention is provided.

Ferner wird ein Steuerungsverfahren für eine voranstehende erfindungsgemäße rekonfigurierbare Batterie beansprucht, wobei die Phasenverschiebungen der Trägersignale zwischen verschiedenen Strängen der K*M Strängen modifiziert werden, wodurch ein Spannungswert an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang geregelt wird.Furthermore, a control method for a reconfigurable battery according to the invention is claimed, wherein the phase shifts of the carrier signals between different strands of the K*M strands are modified, whereby a voltage value at the at least one further voltage output is regulated.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

  • 1 zeigt eine schematische Schaltung mit einer Multiphasenlast und einem weiteren Spannungsausgang in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie.
  • 2 zeigt eine schematische Schaltung mit einem Abgriff nur um eine Untermenge an Strängen für den weiteren Spannungsausgang in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie.
  • 3 zeigt eine schematische Schaltung mit einem galvanisch nicht-isolierten weiteren Spannungsausgang in einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie.
  • 4 zeigt graphisch Spannungsverläufe zu einem weiteren Spannungsausgang mit Wechselspannung in einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie.
  • 5 zeigt eine schematische Schaltung mit dem weiteren Spannungsausgang mit Wechselspannung in der fortgesetzt weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie.
  • 6 zeigt eine schematische Schaltung mit einer Multiphasenlast und zwei weiteren Spannungsausgängen in einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie.
  • 7 zeigt ein generisches Blockdiagramm zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens.
The figures are described in a coherent and comprehensive manner, and the same reference symbols are assigned to the same components.
  • 1 shows a schematic circuit with a multi-phase load and a further voltage output in an embodiment of the reconfigurable battery according to the invention.
  • 2 shows a schematic circuit with a tap for only a subset of strands for the further voltage output in a further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention.
  • 3 shows a schematic circuit with a galvanically non-insulated additional voltage output in yet another embodiment of the reconfigurable battery according to the invention.
  • 4 shows graphically voltage curves for a further voltage output with AC voltage in a continued further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention.
  • 5 shows a schematic circuit with the further voltage output with AC voltage in the continued further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention.
  • 6 shows a schematic circuit with a multi-phase load and two further voltage outputs in a still further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention.
  • 7 shows a generic block diagram for an embodiment of the control method according to the invention.

In 1 wird eine schematische Schaltung 100 mit einer Multiphasenlast 108 und einem weiteren Spannungsausgang 107 in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie gezeigt. Die für K=1 gezeigte rekonfigurierbare Batterie umfasst eine Anzahl an M in Reihe geschaltete Stränge 110, 120, 190, welche jeweilig eine Phase 101, 102, 109 für die Multiphasenlast 108 über ein Mehrfach-Relais 104 bereitstellen. Die M Stränge 110, 120, 190 weisen dabei eine jeweilige Reihe von N Modulen 111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199 auf. Zwischen dem zweiten Strang 120 und dem M-ten Strang 190 können noch eine Reihe von (M-3)>0 weiteren Strängen angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird von der rekonfigurierbaren Batterie der weitere Spannungsausgang 107 bereitgestellt und über ein Relais 105 von einem Abgriff 151, 152 um alle M Stränge 110, 120, 190 gespeist. Ein Spannungswert am Spannungsausgang 107 wird über eine Modifikation einer Phasenverschiebung jeweiliger Trägersignale der M Stränge 110, 120, 190 gesteuert. Der weitere Spannungsausgang 107 ist über einen Transformator von dem Relais 105 bzw. dem Abgriff 151, 152 galvanisch getrennt. Außerdem ist zwischen Transformator und dem weiteren Spannungsausgang 107 ein Gleichrichter geschaltet, so dass eine Gleichspannung am weiteren Spannungsausgang 107 anliegt. Ebenfalls mit dem Abgriff 151, 152 um alle M Stränge 110, 120, 190 verbunden ist ein Ladeanschluss 106. Auch ist in der Schaltung 100 ein Laden der M Stränge 110, 120, 290 mittels Rekuperation durch die Multiphasenlast 108 möglich.In 1 1 shows a schematic circuit 100 with a multi-phase load 108 and a further voltage output 107 in an embodiment of the reconfigurable battery according to the invention. The reconfigurable battery shown for K=1 comprises a number of M series-connected strands 110, 120, 190, which each provide a phase 101, 102, 109 for the multi-phase load 108 via a multiple relay 104. The M strands 110, 120, 190 each have a row of N modules 111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199. Between the second strand 120 and the Mth strand 190 there can also be a series of (M−3)>0 further strands. According to the invention, the further voltage output 107 is provided by the reconfigurable battery and fed via a relay 105 from a tap 151, 152 around all M strands 110, 120, 190. A voltage value at the voltage output 107 is controlled via a modification of a phase shift of respective carrier signals of the M strands 110, 120, 190. The further voltage output 107 is electrically isolated from the relay 105 or the tap 151, 152 via a transformer. In addition, a rectifier is connected between the transformer and the further voltage output 107 so that a DC voltage is present at the further voltage output 107 . A charging connection 106 is also connected to the tap 151, 152 around all M strands 110, 120, 190. Charging of the M strands 110, 120, 290 by means of recuperation by the multiphase load 108 is also possible in the circuit 100.

In 2 wird eine schematische Schaltung 200 mit einem Abgriff 251, 252 nur um eine Untermenge an Strängen für den weiteren Spannungsausgang 107 in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie gezeigt. Die Untermenge an Strängen wird mindestens durch den zweiten Strang 120 und einer Auswahl unter allen optional weiter vor dem M-ten Strang 190 angeordneten (M-3)-Stränge gebildet. Die von dieser Untermenge an Strängen abgegriffenen Phasen bilden vorteilhaft ein vollständiges Multiphasensystem mit einer Summe von 360 Grad über alle zugehörigen Phasenverschiebungen. So braucht bspw. bei einem sechs-Phasen-System der Abgriff 251, 252 vorteilhaft nur an drei ausgewählten Strängen mit solchen Phasen erfolgen, deren zugehörige Phasenverschiebungen summiert 360 Grad ergeben. Mit dem hier gemeinten vollständigen Multiphasensystem geht einher, dass eine Summe über jeweilige Spannungen Vi der Phasen des Multiphasensystems gleich null ist (Σ Vi = 0). Dies ist insbesondere für Dioden des Gleichrichters vor dem weiteren Spannungsausgang 107 vorteilhaft, weil deren Nennspannung sich dadurch verringert. Als maximaler Spannungsunterschied Vmax zwischen zwei Phasen ergibt sich bspw. bei einem Dreiphasensystem mit M=3. V max = ( [ m × ( N ) ] ) + 1 ) V m × ( sin ( ω t ) sin ( ω t + 2 π 3 ) ) < ( N + 1 ) V m

Figure DE102022112688B3_0001
In 2 shows a schematic circuit 200 with a tap 251, 252 only a subset of strands for the further voltage output 107 in a further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention. The subset of strands is formed at least by the second strand 120 and a selection from among all (M-3) strands optionally arranged further ahead of the Mth strand 190 . The phases taken from this subset of strands advantageously form a complete multi-phase system with a sum of 360 degrees over all associated phase shifts. For example, in a six-phase system, tapping 251, 252 advantageously only needs to take place on three selected strands with phases whose associated phase shifts add up to 360 degrees. The complete multi-phase system meant here is accompanied by the fact that a sum over the respective voltages V i of the phases of the multi-phase system is equal to zero (Σ V i =0). This is particularly advantageous for diodes of the rectifier in front of the further voltage output 107 because their nominal voltage is reduced as a result. The maximum voltage difference V max between two phases results, for example, in a three-phase system with M=3. V Max = ( [ m × ( N ) ] ) + 1 ) V m × ( sin ( ω t ) sin ( ω t + 2 π 3 ) ) < ( N + 1 ) V m
Figure DE102022112688B3_0001

Dies ist geringfügig höher als ein Drittel der maximal möglichen Klemmenspannung.This is slightly higher than a third of the maximum possible terminal voltage.

In 3 wird eine schematische Schaltung 300 mit einem galvanisch nicht isolierten weiteren Spannungsausgang 307 in einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie gezeigt. Wie in 1 erfolgt der Abgriff 151, 152 für den weiteren Spannungsausgang 307 um alle M Stränge 110, 120, 190. Die Anbindung des weiteren Spannungsausgangs 307 an das Relais 105 ist galvanisch nicht getrennt, was vorteilhaft eine Effizienz des Systems steigern kann.In 3 a schematic circuit 300 with a galvanically non-insulated further voltage output 307 is shown in yet another embodiment of the reconfigurable battery according to the invention. As in 1 the tap 151, 152 for the further voltage output 307 takes place around all M strands 110, 120, 190. The connection of the further voltage output 307 to the relay 105 is not electrically isolated, which can advantageously increase the efficiency of the system.

In 4 werden graphisch Spannungsverläufe 400 zu einem weiteren Spannungsausgang mit Wechselspannung 420 in einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie gezeigt. Der um alle Stränge erfolgende Abgriff zeigt einen Spannungsverlauf einer Gesamtspannung Vtotal 410, aufgetragen als skalierter Spannungswert 402 entlang einer Zeitachse 401. Ein skalierter Spannungswert 402 von 1 bedeutet, dass alle Module ihre Energiespeicher mit positivem Spannungsbeitrag +Vm zugeschaltet haben: Vtotal = Σ Vm· Entsprechend bedeutet ein skalierter Spannungswert 402 von - 1, dass alle Module ihre Energiespeicher mit negativen Spannungsbeitrag -Vm zugeschaltet haben. Die Wechselspannung 420 ist am weiteren Spannungsausgang als gefiltertes Signal bereitgestellt. Mittels Steuerung der Phasenverschiebung 430 der Trägersignale zwischen verschiedenen Strängen, nach rechts aufgetragen mit Phasenverschiebungswert 403 als vertikale Achse, wird ein Spannungssignal der am weiteren Spannungsausgang bereitgestellten Wechselspannung 420, insbesondere ihrer Amplitude, modifiziert.In 4 voltage curves 400 are shown graphically for a further voltage output with alternating voltage 420 in a continued further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention. The tap that takes place around all strands shows a voltage profile of a total voltage Vtotal 410, plotted as a scaled voltage value 402 along a time axis 401. A scaled voltage value 402 of 1 means that all modules have switched on their energy stores with a positive voltage contribution +V m : V total = Σ V m Correspondingly, a scaled voltage value 402 of −1 means that all modules have switched on their energy stores with a negative voltage contribution −V m . The AC voltage 420 is provided as a filtered signal at the further voltage output. By controlling the phase shift 430 of the carrier signals between different strands, according to Plotted on the right with phase shift value 403 as the vertical axis, a voltage signal of the AC voltage 420 provided at the further voltage output, in particular its amplitude, is modified.

In 5 wird eine schematische Schaltung 500 mit dem weiteren Spannungsausgang 507 mit Wechselspannung in der fortgesetzt weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie gezeigt. Ein Drehstrommotor 508 wird über drei Phasen 101, 102, 503 der rekonfigurierbaren Batterie versorgt. Der um alle drei Stränge 110, 120, 530 erfolgende Abgriff ist zu dem weiteren Spannungsausgang 507 durch einen Hochfrequenz-Transformator 557 galvanisch getrennt. Die Frequenz der Wechselspannung ist dabei eine um eine Anzahl N an Modulen multiplizierte Schaltfrequenz der Module 111, 112, 119, 121, 122, 129, 531, 532, 539.In 5 a schematic circuit 500 with the further voltage output 507 with AC voltage is shown in the continued further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention. A three-phase motor 508 is powered by three phases 101, 102, 503 of the reconfigurable battery. The tap that takes place around all three strands 110, 120, 530 is electrically isolated from the further voltage output 507 by a high-frequency transformer 557. The frequency of the AC voltage is a switching frequency of modules 111, 112, 119, 121, 122, 129, 531, 532, 539 multiplied by a number N of modules.

In 6 wird eine schematische Schaltung 600 mit einer Multiphasenlast 608 mit sechs Phasen 101, 102, 109, 601, 602, 609 und zwei weiteren Spannungsausgängen 307, 607 in einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren Batterie gezeigt. Die für K=2 und M=3 gezeigte rekonfigurierbare Batterie umfasst K=2 Blöcke mit jeweils M=3 Strängen, einen ersten Block mit einer Anzahl an M=3 in Reihe geschalteten Strängen 110, 120, 190, und einen seriell mit dem ersten Block verbundenen zweiten Block mit ebenfalls einer Anzahl an M=3 in Reihe geschalteten Strängen 610, 620, 690 an Modulen 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699. Durch Abgriff um den ersten Block wird über das Relais 105 der weitere Spannungsausgang 307 bereitgestellt, und durch Abgriff um den zweiten Block wird über ein Relais 605 der zweite weitere Spannungsausgang 607 bereitgestellt.In 6 a schematic circuit 600 with a multi-phase load 608 with six phases 101, 102, 109, 601, 602, 609 and two further voltage outputs 307, 607 is shown in a still further embodiment of the reconfigurable battery according to the invention. The reconfigurable battery shown for K=2 and M=3 comprises K=2 blocks each with M=3 strings, a first block with a number of M=3 strings 110, 120, 190 connected in series, and one in series with the first Block connected second block also with a number of M = 3 series-connected strands 610, 620, 690 on modules 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699. By tapping around the first block, the Relay 105 provides the additional voltage output 307 , and the second additional voltage output 607 is provided via a relay 605 by tapping around the second block.

In 7 wird ein Blockdiagramm 700 für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens gezeigt. Durch Steuerung der Phasenverschiebung zwischen Trägersignalen verschiedener Phasen wird ein Spannungssignal der Gesamtspannung Vtotal ohne nachteilige Auswirkungen auf eine Qualität oder eine Signalform der pro Phase bereitgestellten Spannung modifiziert. Eine Feedback-Schleife 701 liefert fortwährend einen Fehler 712 zwischen Referenzsignal und gemessenem Signal an einen Regler 702, bspw. einen PI-Regler, welcher einen zur Fehlerkorrektur notwendigen Auslastungsgrad 723 ermittelt. Dieser Auslastungsgrad 723 wird an einen Regler 703 zur Bestimmung der Phasenunterschiede zwischen benachbarten Strängen, also erfindungsgemäß zur Bestimmung unterschiedlicher Startpunkte eines „Loslaufens“ der jeweiligen Trägersignale benachbarter Stränge, übermittelt, welcher seinerseits eine Startphase ϕi 735 eines ersten Moduls in jedem Strang an einen i-ten Zähler 705 und eine Startphase ϕi+1 737 eines ersten Moduls in jedem Strang an einen (i+1)-ten Zähler 707 weitergibt. Der i-te Zähler 705 gibt N Trägersignale, welche gleichmäßig auf [ ϕ i , ϕ i + 2 π N , ϕ i + 2 2 π N , ]

Figure DE102022112688B3_0002
verteilt sind, an einen Komparator 708 weiter. Zum Abgleich erhält der Komparator 708 außerdem ein Einzelreferenzsignal 748 zur i-ten Phase aus einem Regler 704 der i-ten Phase, woraufhin multiple Schaltsignale 780 an die Module der rekonfigurierbaren Batterie übermittelt werden. Der (i+1)-te Zähler 707 gibt N Trägersignale, welche gleichmäßig auf [ ϕ i + 1 , ϕ i + 1 + 2 π N , ϕ i + 1 + 2 2 π N , ]
Figure DE102022112688B3_0003
 
Figure DE102022112688B3_0004
verteilt sind, an einen Komparator 709 weiter. Zum Abgleich erhält der Komparator 709 außerdem ein Einzelreferenzsignal 769 zur (i+1)-ten Phase aus einem Regler 706 der (i+1)-ten Phase, woraufhin multiple Schaltsignale 790 an die Module der rekonfigurierbaren Batterie übermittelt werden.In 7 A block diagram 700 is shown for an embodiment of the control method according to the invention. By controlling the phase shift between carrier signals of different phases, a voltage signal of the total voltage Vtotal is modified without adverse effects on a quality or a waveform of the voltage provided per phase. A feedback loop 701 continuously delivers an error 712 between the reference signal and the measured signal to a controller 702, for example a PI controller, which determines a degree of utilization 723 necessary for error correction. This degree of utilization 723 is transmitted to a controller 703 to determine the phase differences between adjacent strands, i.e. according to the invention to determine different starting points for the respective carrier signals of adjacent strands to "start running", which in turn transmits a starting phase ϕ i 735 of a first module in each strand to an i th counter 705 and a start phase φ i+1 737 of a first module in each strand to an (i+1) th counter 707. The i-th counter 705 outputs N carrier signals which are evenly distributed [ ϕ i , ϕ i + 2 π N , ϕ i + 2 2 π N , ... ]
Figure DE102022112688B3_0002
are distributed, to a comparator 708 on. To adjust, the comparator 708 also receives a single i th phase reference signal 748 from an i th phase controller 704, whereupon multiple switching signals 780 are sent to the modules of the reconfigurable battery. The (i+1)th counter 707 outputs N carrier signals which are evenly distributed [ ϕ i + 1 , ϕ i + 1 + 2 π N , ϕ i + 1 + 2 2 π N , ... ]
Figure DE102022112688B3_0003
Figure DE102022112688B3_0004
are distributed, to a comparator 709 on. For adjustment, the comparator 709 also receives a single reference signal 769 for the (i+1)th phase from a controller 706 for the (i+1)th phase, whereupon multiple switching signals 790 are transmitted to the modules of the reconfigurable battery.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Erste schematische SchaltungFirst schematic circuit
101101
Phase 1stage 1
102102
Phase 2stage 2
104104
Mehrfach-Relaismultiple relays
105105
Relaisrelay
106106
Ladeanschlusscharging port
107107
GleichspannungsausgangDC output
108108
Multiphasenmaschine mit M PhasenMultiphase machine with M phases
109109
Phase MPhase M
110110
Strang 1strand 1
111111
Modul 1module 1
112112
Modul 2module 2
119119
Modul NModule N
120120
Strang 2strand 2
121121
Modul 1+NModule 1+N
122122
Modul 2+NModule 2+N
129129
Modul 2NModule 2N
151151
Abgriff zum Relaistap to the relay
152152
Abgriff zum Relaistap to the relay
190190
Strang Mstrand M
191191
Modul 1+(M-1)*NModule 1+(M-1)*N
192192
Modul 2+(M-1)*NModule 2+(M-1)*N
199199
Modul M*NModule M*N
200200
Zweite schematische SchaltungSecond schematic circuit
251251
Erster Anschluss zum RelaisFirst connection to the relay
252252
Zweiter Anschluss zum RelaisSecond connection to the relay
300300
Dritte schematische SchaltungThird schematic circuit
307307
Nichtisolierter GleichspannungsausgangNon-isolated DC output
400400
Spannungsverläufevoltage curves
401401
Zeitachsetimeline
402402
Spannungsachsetension axis
403403
Phasenverschiebungswinkelphase shift angle
410410
Gesamtspannung Vtotal total voltage Vt total
420420
Gefilterte WechselspannungFiltered AC voltage
430430
Phasenverschiebungphase shift
500500
Vierte schematische SchaltungFourth schematic circuit
503503
Dritte Phasethird phase
504504
Mehrfachrelaismultiple relays
507507
WechselspannungsausgangAC output
508508
Drehstrommotorthree-phase motor
531531
Modul (1+2N)Module (1+2N)
532532
Modul (2+2N)Module (2+2N)
539539
Modul (3N)Module (3N)
557557
Optional galvanisch getrenntOptionally galvanically isolated
600600
Fünfte schematische SchaltungFifth schematic circuit
601601
Phase M+1Phase M+1
602602
Phase M+2Phase M+2
604604
Sechsfach-RelaisSixfold relay
605605
Relaisrelay
607607
Zweiter GleichspannungsausgangSecond DC output
608608
Multiphasenmaschine mit 2M PhasenMultiphase machine with 2M phases
609609
Phase 2MPhase 2M
610610
Modulgruppe 1, Zweiter BlockModule group 1, second block
611611
Modul 1module 1
612612
Modul 2module 2
619619
Modul NModule N
620620
Modulgruppe 2, Zweiter BlockModule group 2, second block
621621
Modul 1+NModule 1+N
622622
Modul 2+NModule 2+N
629629
Modul 2NModule 2N
690690
Modulgruppe M, Zweiter BlockModule group M, second block
691691
Modul 1+(M-1)*NModule 1+(M-1)*N
692692
Modul 2+(M-1)*NModule 2+(M-1)*N
699699
Modul M*NModule M*N
700700
Blockdiagramm zum VerfahrenBlock diagram of the procedure
701701
Feedback-Schleifefeedback loop
702702
Reglercontroller
703703
Bestimmung von Phasenunterschieden zwischen benachbarten SträngenDetermination of phase differences between adjacent strands
704704
i-ter Phasenregleri-th phase controller
705705
i-ter Zähleri-th counter
706706
(i+1)-Phasenregler(i+1) phase controller
707707
(i+1)-ter Zähler(i+1)th counter
708708
Erster KomparatorFirst comparator
709709
Zweiter KomparatorSecond comparator
712712
Fehler zwischen Referenzsignal und gemessenem SignalError between reference signal and measured signal
723723
Für Fehlerkorrektur notwendiger AuslastungsgradUtilization level necessary for error correction
735735
Startphase ϕi eines ersten Moduls in jedem StrangStart phase φ i of a first module in each strand
737737
Startphase ϕi+1 eines ersten Moduls in jedem StrangStart phase ϕ i+1 of a first module in each string
748748
Einzelreferenzsignal für i-te PhaseSingle reference signal for i-th phase
758758
N TrägersignaleN carrier signals
769769
Einzelreferenzsignal für (i+1)-te PhaseSingle reference signal for (i+1)th phase
779779
N TrägersignaleN carrier signals
780780
Multiple SchaltsignaleMultiple switching signals
790790
Multiple SchaltsignaleMultiple switching signals

Claims (12)

Rekonfigurierbare Batterie mit mehreren Spannungsausgängen, wobei die rekonfigurierbare Batterie eine Steuerung und eine Anzahl an K*M seriell miteinander verbundenen Strängen (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) von jeweils N seriell miteinander verbundenen Modulen (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) umfasst, wobei K, M>1, N positive ganze Zahlen sind, wobei ein jeweiliges Modul (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) mindestens einen Energiespeicher und mindestens zwei Halbleiterschalter aufweist, wobei die rekonfigurierbare Batterie dazu ausgestaltet ist, den mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Moduls (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) mit dem mindestens einen Energiespeicher eines anderen Moduls (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) zu verschalten, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Schalter der Module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) mittels pulsweitenmodulierter Steuersignale zu steuern, wobei einem jeweiligen Strang (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) ein jeweiliger Satz an N Trägersignalen zugeordnet ist und die jeweiligen Sätze an Trägersignalen zwischen verschiedenen Strängen gegeneinander eine Phasenverschiebung aufweisen, wobei durch einen jeweiligen Abgriff unmittelbar vor einem ersten Modul (111, 121, 191, 531, 611, 621, 691) des jeweiligen Stranges (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) und unmittelbar nach einem letzten Modul (119, 129, 199, 539, 619, 629, 699) des jeweiligen Stranges (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) ein jeweiliger Spannungsausgang für eine jeweilige Phase (101, 102, 109, 503, 601, 602, 609) für eine K*M-phasige Last (108, 508, 608) bereitgestellt ist, wobei durch mindestens einen weiteren Abgriff (151, 152, 251, 252) um mindestens einen Strang der K*M Stränge (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) mindestens ein weiterer Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) bereitgestellt ist, wobei zwischen jeweiligem Abgriff (151, 152, 251, 252) und jeweiligem Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) oder der Last (108, 508, 608) ein jeweiliges Relais (104, 105, 504, 604, 605) angeordnet ist, und wobei die rekonfigurierbare Batterie über einen Ladeanschluss (106) aufladbar ist.Reconfigurable battery with multiple voltage outputs, the reconfigurable battery having a controller and a number of K*M strings (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) serially connected to each other of N series-connected modules (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) where K, M>1, N positive integers are numbers, where a respective module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) has at least one energy store and at least two semiconductor switches, wherein the reconfigurable battery is designed to the at least one Energy storage of the respective module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) with the at least to interconnect an energy store of another module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699). , wherein the controller is configured to operate the switches of the modules (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691 , 692, 699) by means of pulse width modulated control signals, with a respective set of N carrier signals being assigned to a respective strand (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) and the respective sets of carrier signals between different strands having a phase shift relative to one another have, with a respective tap immediately before a first module (111, 121, 191, 531, 611, 621, 691) of the respective strand (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) and immediately after a last Module (119, 129, 199, 539, 619, 629, 699) of the respective strand (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) a respective voltage output for a respective phase (101, 102, 109, 503, 601, 602, 609) for a K*M-phase load (108, 508, 608), with at least one further tap (151, 152, 251, 252) around at least one phase of the K*M phases (110 , 120, 190, 530, 610, 620, 690) at least one further voltage output (107, 307, 507, 607) is provided, wherein between the respective tap (151, 152, 251, 252) and the respective voltage output (107, 307, 507, 607) or the load (108, 508, 608) a respective relay (104, 105, 504, 604, 605) is arranged, and wherein the reconfigurable battery can be charged via a charging connection (106). Rekonfigurierbare Batterie nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine weitere Spannungsausgang (107, 507), durch Abgriff (151, 152) vor einem ersten Modul (111) des ersten Stranges (110) und nach einem letzten Modul (199, 539) des letzten Stranges (190, 530) bereitgestellt ist.Reconfigurable battery after claim 1 , wherein the at least one further voltage output (107, 507) is tapped (151, 152) before a first module (111) of the first line (110) and after a last module (199, 539) of the last line (190, 530 ) is provided. Rekonfigurierbare Batterie nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine weitere Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) durch Abgriff (251, 252) um eine Gruppe von M aneinandergereihten Strängen der K*M Stränge (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) bereitgestellt ist, deren jeweilige Phasenverschiebungen zusammengenommen 360 Grad ergeben.Reconfigurable battery after claim 1 , the at least one further voltage output (107, 307, 507, 607) being tapped (251, 252) around a group of M strings of the K*M strings (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) is provided, whose respective phase shifts add up to 360 degrees. Rekonfigurierbare Batterie nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, durch Modifizierung der Phasenverschiebung der Trägersignale zwischen verschiedenen Strängen der K*M Stränge (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) einen Spannungswert an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) zu regeln.The reconfigurable battery of any preceding claim, wherein the controller is configured to, by modifying the phase shift of the carrier signals between different strings of the K*M strings (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) a voltage value at the at least one to regulate another voltage output (107, 307, 507, 607). Rekonfigurierbare Batterie nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine weitere Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) von dem mindestens einen weiteren Abgriff (151, 152, 251, 252) galvanisch isoliert oder galvanisch nicht-isoliert ist.Reconfigurable battery according to one of the preceding claims, wherein the at least one further voltage output (107, 307, 507, 607) is galvanically isolated or galvanically non-isolated from the at least one further tap (151, 152, 251, 252). Rekonfigurierbare Batterie nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang (507) bereitgestellte Ausgabespannung eine Wechselspannung ist.Reconfigurable battery according to one of the preceding claims, wherein an output voltage provided at the at least one further voltage output (507) is an AC voltage. Rekonfigurierbare Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang (107, 307, 607) bereitgestellte Ausgabespannung gleichgerichtet ist.Reconfigurable battery according to one of the Claims 1 until 5 , An output voltage provided at the at least one further voltage output (107, 307, 607) being rectified. Rekonfigurierbare Batterie nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei K weitere Spannungsausgänge (307, 607) des mindestens einen weiteren Spannungsausganges bereitgestellt werden, wobei für den jeweiligen (307, 607) weiteren Spannungsausgang ein jeweiliger Abgriff um jeweilig M aneinandergereihte Stränge (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) gebildet ist.Reconfigurable battery according to one of the preceding claims, wherein K further voltage outputs (307, 607) of the at least one further voltage output are provided, wherein for the respective (307, 607) further voltage output a respective tap around respectively M strands (110, 120, 190 , 530, 610, 620, 690). Rekonfigurierbare Batterie nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, den mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Moduls (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) seriell oder parallel oder unter Umgehung mindestens einen Energiespeichers eines benachbarten Moduls (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) mit mindestens einem Energiespeicher eines anderen Moduls (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) zu verschalten.Reconfigurable battery according to one of the preceding claims, wherein the controller is configured to the at least one energy store of the respective module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612 , 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) in series or parallel or bypassing at least one energy store of an adjacent module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) with at least one energy store of another module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699). Verfahren zur Bereitstellung von Spannungsausgängen an einer rekonfigurierbaren Batterie, wobei die rekonfigurierbare Batterie eine Steuerung und eine Anzahl an K*M seriell miteinander verbundenen Strängen (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) von jeweils N seriell miteinander verbundenen Modulen (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) umfasst, wobei K, M>1, N positive ganze Zahlen sind, wobei ein jeweiliges Modul (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) mindestens einen Energiespeicher und mindestens zwei Halbleiterschalter aufweist, wobei die rekonfigurierbare Batterie dazu ausgestaltet ist, den mindestens einen Energiespeicher des jeweiligen Moduls (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) mit dem mindestens einen Energiespeicher eines anderen Moduls (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699)zu verschalten, wobei die Schalter der Module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) mittels pulsweitenmodulierter Steuersignale gesteuert werden, wobei einem jeweiligen Strang (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) ein jeweiliger Satz an N Trägersignalen zugeordnet wird und die jeweiligen Sätze an Trägersignalen zwischen verschiedenen Strängen gegeneinander phasenverschoben werden, wobei unmittelbar vor einem ersten Modul (111, 121, 191, 531, 611, 621, 691) des jeweiligen Stranges (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) und unmittelbar nach einem letzten Modul (119, 129, 199, 539, 619, 629, 699) des jeweiligen Stranges (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) ein jeweiliger Abgriff ein jeweiliger Spannungsausgang für eine jeweilige Phase (101, 102, 109, 503, 601, 602, 609) für eine K*M-phasige Last (108, 508, 608) bereitgestellt wird, wobei durch mindestens einen weiteren Abgriff um mindestens einen Strang der K*M Stränge (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) mindestens ein weiterer Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) bereitgestellt wird, wobei zwischen jeweiligem Abgriff (151, 152, 251, 252) und jeweiligen Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) oder der Last (108, 508, 608) ein jeweiliges Relais (104, 105, 504, 604, 605) angeordnet wird, und wobei an der rekonfigurierbaren Batterie ein Ladeanschluss (106) angeordnet wird.Method for providing voltage outputs on a reconfigurable battery, the reconfigurable battery having a controller and a number of K*M strings (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) serially connected to one another, each of N series-connected modules ( 111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) where K, M>1, N are positive integers, where a respective module is (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) has at least one energy store and at least two semiconductor switches, the reconfigurable battery being designed to charge the at least one energy store of the respective module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191 , 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) with the at least one energy store of another module (111, 112, 119, 121, 122, 129, 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699), whereby the switches of the modules (111, 112, 119, 121, 122, 129 , 191, 192, 199, 531, 532, 539, 611, 612, 619, 621, 622, 629, 691, 692, 699) are controlled by means of pulse width modulated control signals, with a respective branch (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) a respective set of N carrier signals is assigned and the respective sets of carrier signals between different strands are phase-shifted with respect to one another, with immediately before a first module (111, 121, 191, 531, 611, 621, 691) of the respective strands (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) and immediately after a last module (119, 129, 199, 539, 619, 629, 699) of the respective strand (110, 120, 190, 530, 610 , 620, 690) a respective tap provides a respective voltage output for a respective phase (101, 102, 109, 503, 601, 602, 609) for a K*M-phase load (108, 508, 608), wherein by at least one further tap around at least one strand of the K*M strands (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) at least one further voltage output (107, 307, 507, 607) is provided, with between each tap (151 , 152, 251, 252) and respective voltage output (107, 307, 507, 607) or the load (108, 508, 608) a respective relay (104, 105, 504, 604, 605) is arranged, and wherein at the reconfigurable battery, a charging connection (106) is arranged. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine rekonfigurierbare Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 9 bereitgestellt wird.procedure after claim 10 , wherein a reconfigurable battery according to any one of claims 2 until 9 provided. Steuerungsverfahren für eine rekonfigurierbare Batterie, wobei eine rekonfigurierbare Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bereitgestellt ist, wobei die Phasenverschiebungen der Trägersignale zwischen verschiedenen Strängen der K*M Strängen (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) modifiziert werden, wodurch ein Spannungswert an dem mindestens einen weiteren Spannungsausgang (107, 307, 507, 607) geregelt wird.Control method for a reconfigurable battery, wherein a reconfigurable battery according to any one of Claims 1 until 9 is provided, the phase shifts of the carrier signals between different strands of the K*M strands (110, 120, 190, 530, 610, 620, 690) being modified, whereby a voltage value at the at least one further voltage output (107, 307, 507, 607) is regulated.
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