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. 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.
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
In der US-amerikanischen Druckschrift
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
Die Druckschrift
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
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.
-
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
In
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
In
In
In
In
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Erste schematische SchaltungFirst schematic circuit
- 101101
-
Phase 1
stage 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 1
strand 1 - 111111
-
Modul 1
module 1 - 112112
- Modul 2module 2
- 119119
- Modul NModule N
- 120120
- Strang 2strand 2
- 121121
-
Modul 1+N
Module 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)*N
Module 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+1
Phase 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 Block
Module group 1, second block - 611611
-
Modul 1
module 1 - 612612
- Modul 2module 2
- 619619
- Modul NModule N
- 620620
- Modulgruppe 2, Zweiter BlockModule group 2, second block
- 621621
-
Modul 1+N
Module 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)*N
Module 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)
Priority Applications (1)
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DE102022112688.9A DE102022112688B3 (en) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | Reconfigurable battery with additional voltage outputs |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022112688.9A DE102022112688B3 (en) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | Reconfigurable battery with additional voltage outputs |
Publications (1)
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---|---|
DE102022112688B3 true DE102022112688B3 (en) | 2023-08-03 |
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ID=87161077
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DE102022112688.9A Active DE102022112688B3 (en) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | Reconfigurable battery with additional voltage outputs |
Country Status (1)
Country | Link |
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-
2022
- 2022-05-20 DE DE102022112688.9A patent/DE102022112688B3/en active Active
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