WO2014154495A1 - Energy storage device and system having an energy storage device - Google Patents

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WO2014154495A1
WO2014154495A1 PCT/EP2014/054948 EP2014054948W WO2014154495A1 WO 2014154495 A1 WO2014154495 A1 WO 2014154495A1 EP 2014054948 W EP2014054948 W EP 2014054948W WO 2014154495 A1 WO2014154495 A1 WO 2014154495A1
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WO
WIPO (PCT)
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energy storage
coupling
storage device
storage cell
branch
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/054948
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Waleed SAHHARY
Alexander Schmidt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Definitions

  • the invention relates to an energy storage device, in particular one
  • Wind turbines or solar systems as well as in vehicles, such as hybrid or
  • Electric vehicles increasingly electronic systems are used that integrate elements of power electronics in the energy storage system.
  • the DC link is in this case of a string of serially interconnected battery modules or arbitrary
  • the rigid series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system. Furthermore, temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.
  • the energy storage module strands in this case have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one energy storage cell and an associated controllable coupling unit, which makes it possible to interrupt the respective energy storage module strand depending on control signals or to bridge the respectively associated at least one energy storage cell or each associated with at least one energy storage cell to switch into the respective energy storage module string.
  • control of the coupling units for example by means of
  • Pulse width modulation also suitable phase signals for controlling the phase output voltage can be provided, so that a separate
  • Pulse inverter can be dispensed with. The to control the
  • Phase output required pulse inverters is thus integrated so to speak in the BDI.
  • BDIs usually have higher efficiency and higher
  • Coupling units can be switched out of the power supply lines.
  • the phase output voltage of an energy storage module string can be varied by appropriate activation of the coupling units and in particular be set in stages.
  • the gradation of the output voltage results from the voltage of a single energy storage module, the maximum possible
  • Energy storage modules of an energy storage module string is determined.
  • the publications DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1 disclose battery direct inverters with a plurality of battery module strings, which can be connected directly to an electrical machine.
  • the energy storage module strands in this case have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one energy storage cell and an associated controllable coupling unit, which allows the respectively associated at least one in response to control signals Energy storage cell to bridge or switch the respectively associated at least one energy storage cell in the respective energy storage module string.
  • the coupling unit can be designed such that it additionally allows to switch the respective assigned at least one energy storage cell with inverse polarity in the respective energy storage module string or the respective
  • a pulse-width-modulated (PWM) control of the coupling units can take place. This makes it possible to output a desired mean value as energy storage module voltage by specific variation of the on or off times.
  • PWM pulse-width-modulated
  • the present invention in one aspect, provides an energy storage device configured to provide and / or receive electrical energy in the form of an n-phase current and an n-phase voltage, where n> 1.
  • Energy storage device comprises n phases, wherein the energy storage device may comprise, for example, three phases in star or delta connection.
  • Each of the phases includes a plurality of series connected energy storage modules.
  • the energy storage modules each comprise an energy storage cell coupling module with coupling module connections, and a coupling device with coupling elements which are designed to selectively switch the energy storage cell module via the coupling module connections into the respective energy supply branch or to bypass the respective energy supply branch.
  • Each of the energy storage cell coupling modules in turn has a coupling module string with a plurality of series-connected energy storage cell branch modules having an energy storage cell branch a series circuit of an energy storage cell branch coupling element and at least one energy storage cell and a parallel to the
  • the present invention provides a system having an n-phase electric machine, where n> 1, an energy storage device configured to provide and / or receive electrical energy in the form of an n-phase current and an n-phase voltage and having n power supply branches connected in parallel, each coupled between an output terminal and a reference potential rail, each of the
  • the energy storage modules each comprise an energy storage cell module, which has at least one energy storage cell, and a coupling device with coupling elements, which are designed to selectively switch or bypass the energy storage cell module in the respective energy supply branch.
  • the system further comprises n phase lines, each of which couples one of the output terminals of the energy storage device to each one of n phase terminals of the n-phase electric machine, and a control device configured to perform a method according to the invention.
  • Energy storage device to be constructed such that the number of coupling units can be minimized. This is achieved by constructing the energy storage cell modules of each energy storage module of an energy storage device in turn in a battery direct converter topology (BDC).
  • BDC battery direct converter topology
  • battery direct converter topology means that the
  • Energy storage cell modules of the individual energy storage modules have a series circuit of energy storage cells, which are assigned via memory module internal
  • the energy storage device has a hierarchical nesting structure in which a plurality of BDCs as
  • Energy storage cell modules are combined in a BDI.
  • Each of the energy storage modules can be variably modulated in its module output voltage, whereby the granularity of the total output voltage of a
  • Energy supply strand of the energy storage device set much finer can be used without having to resort to a PWM control of individual energy storage modules.
  • TDD Total Harmonic Distortion
  • Energy storage module itself is still in operation, i. others of the energy storage cells contribute to the output voltage of a power supply branch.
  • the availability of the entire system can be optimized.
  • this makes it possible to easily balance due to aging effects of the individual energy storage cells, what the overall supply capacity of
  • the coupling devices may comprise coupling elements in full-bridge connection.
  • the coupling devices may comprise coupling elements in a half-bridge circuit.
  • Energy storage device the energy storage cells lithium-ion Accumulators, double-layer capacitors, electrolytic capacitors or similar energy storage components include.
  • Bypass couplers include power semiconductor switches.
  • the power semiconductor switches insulated gate bipolar transistors, IGBT, junction field effect transistors, JFET, or metal oxide semiconductor field effect transistors, MOSFET include.
  • the n-phase electric machine may comprise a synchronous machine or a switched reluctance machine.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a system with a
  • Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 5 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of an embodiment variant for a
  • the system 100 shows a system 100 for voltage conversion of DC voltage provided by energy storage modules 3 into an n-phase AC voltage.
  • the system 100 comprises an energy storage device 1 with energy storage modules 3, which in
  • Power supply branches are connected in series, whereby electrical energy can be provided and / or absorbed by the energy storage device 1 in the form of an n-phase current and an n-phase voltage.
  • three energy supply branches Z1, Z2 and Z3 are shown in FIG. 1, which are suitable for generating a three-phase alternating voltage, for example for a three-phase machine.
  • the energy storage device 1 has at each
  • the system 100 in FIG. 1 serves to supply an electric machine 2.
  • the energy storage device 1 is used for buffering electric current for a
  • the system 100 may further include a controller 6 connected to the energy storage device 1 and by means of which the
  • Energy storage device 1 can be controlled to the desired
  • Output voltages to the respective output terminals 1 a, 1 b, 1 c provide.
  • the power supply branches Z1, Z2 and Z3 can at their end with a
  • Reference potential 4 (reference rail) are connected. This can lead to an average potential with respect to the phase lines 2a, 2b, 2c of the electric machine 2 and, for example, be connected to a ground potential. It can do that
  • Reference potential 4 for example, be coupled to the neutral point 4a of the electric machine 2.
  • Each of the power supply branches Z1, Z2 and Z3 has at least two energy storage modules 3 connected in series.
  • the number of energy storage modules 3 per power supply branch in FIG. 1 is three, but any other number of energy storage modules 3 is also possible.
  • each of the energy supply branches Z1, Z2 and Z3 comprises the same number of energy storage modules 3, but it is also possible for each
  • the energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b, via which an output voltage of the energy storage modules 3 can be provided. This aforementioned output voltage can be set independently of the voltage level of the DC voltage source in the energy storage module 3.
  • the energy storage modules 3 each comprise one
  • Coupling device 7 with a plurality of coupling elements 7a and 7c and optionally 7b and 7d.
  • the energy storage modules 3 further include one each
  • Energy storage cell coupling module 5 with one or more series-connected energy storage cell branch modules 15, as explained in more detail below in connection with FIGS. 4 and 5 below.
  • the energy storage cell coupling modules 5 are connected via coupling module connections 5a, 5b to input terminals of the associated coupling device 7.
  • Coupling device 7 is exemplified in FIG. 2 as a full bridge circuit with two coupling elements 7a, 7c and two coupling elements 7b, 7d.
  • Coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d can each have an active switching element, for example a power semiconductor switch, and a freewheeling diode connected in parallel with it.
  • the power semiconductor switches can, for example
  • FETs Field effect transistors
  • the freewheeling diodes can also be integrated in each case in the power semiconductor switch.
  • the coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 6 in Fig. 1, that the
  • Energy storage cell coupling module 5 is selectively connected between the output terminals 3a and 3b or that the energy storage cell coupling module 5 is bypassed in the respective power supply branch Z1, Z2, Z3 or bridged. For example, the energy storage cell coupling module 5 in the forward direction between the
  • Output terminals 3a and 3b are switched by the coupling element 7d bottom right and the coupling element 7a top left are placed in a closed state, while the other two coupling elements are placed in an open state.
  • a bypass state may be, for example be adjusted by the two coupling elements 7a and 7b are placed in the closed state, while the two coupling elements 7c and 7d are held in the open state.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of an energy storage module 3.
  • the energy storage module 3 shown in FIG. 3 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 2 only in that the coupling device 7 has two instead of four coupling elements which are in half-bridge instead of full-bridge are interconnected.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of an embodiment of a
  • the energy storage cell coupling module 5 has a coupling module string Z with a plurality of series-connected energy storage cell branch modules 15.
  • the energy storage cell branch modules 15 each have branch module connections 15a, 15b, via which the energy storage cell branch modules 15 are connected in series. The number of energy storage cell branch modules 15 per
  • Energy storage cell coupling module 5 is shown in Fig. 4 by way of example with three, but each other number of energy storage cell branch modules 15 per
  • Energy storage cell coupling module 5 may also be possible.
  • each of the energy storage cell branch modules 15 includes a similar topology to the energy storage module 3 shown in FIG. the energy storage cell branch modules 15 each include one
  • the energy storage cell branch 16 in this case comprises a series circuit comprising an energy storage cell branch coupling element 17c and at least one energy storage cell 16a, 16k.
  • Energy storage cell branch coupling element 17c and the bypass branch coupling element 17a form a half-bridge circuit via which the energy storage cell branch 16 can be selectively connected to the energy storage cells 16a, 16k in the coupling module strand Z or bypassed or bypassed in that.
  • the energy storage cell branch module 15 can, for example, be connected in series with batteries 16a, 16k, for example lithium-ion batteries or accumulators,
  • Double layer capacitors or electrolytic capacitors have.
  • Energy storage cell branch module 15 exemplified two, but any other number of energy storage cells 16a, 16k is also possible.
  • the active switching elements as
  • Power semiconductor switches for example in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field Effect Transistors) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), be executed.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • JFETs Joint Field Effect Transistors
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors
  • each of the energy storage cell coupling modules 5 is in a sense constructed as a battery direct converter (BDC).
  • By-pass branch coupling elements 17a per energy storage cell branch module 15 different output voltages for each of the energy storage cell coupling modules 5 can be realized without relying on a pulse width modulation (PWM) method.
  • PWM pulse width modulation
  • Energy storage cell 16a, 16k in the coupling module string Z is separately on and coupled out.
  • a power supply branch Z1 to Z3 is thus a simultaneous charging and discharging of different energy storage cells 16a, 16k possible. This increases, for example, the range of a traction battery in which a
  • Energy storage device 1 is used, in particular at different aged internal resistances of the energy storage cells 16a, 16k. Can do this
  • phase lines 2a, 2b, 2c with respective of
  • Output terminals 1 a, 1 b, 1 c are connected, wherein the phase lines 2a, 2b, 2c are in turn connected to phase terminals of the electric machine 2 can.
  • the electric machine 2 may be a three-phase electric machine, for example a three-phase asynchronous machine
  • Synchronous machine or a switched reluctance machine which has 2d inductors 2d above the machine.
  • the energy storage device 1 can, for example, with a regenerative
  • Energy source e.g. a photovoltaic module
  • a local or central power grid e.g. House connection of the energy supplier
  • the energy storage device 1 may be connected to the electric generator of a coupled heat and power system and / or a local or central power grid, e.g.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an embodiment of a
  • Energy storage device when connecting to a three-phase electrical machine.
  • the energy storage device in Fig. 6 according to the technical specifications with reference to Figs. 1 to 5 can be realized.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

The invention relates to an energy storage device which is designed to provide and/or receive electrical energy in the form of an n-phase current and an n-phase voltage, where n ≥ 1. The energy storage device comprises n energy supply branches, wherein each of the energy supply branches has a multiplicity of energy storage modules connected in series. The energy storage modules each comprise an energy storage cell coupling module with coupling module connections and a coupling device with coupling elements which are designed to selectively connect the energy storage cell module to the particular energy supply branch via the coupling module connections or to circumvent the energy storage cell module in the particular energy supply branch. Each of the energy storage cell coupling modules in turn has a line of coupling modules with a multiplicity of energy storage cell branch modules which are connected in series and have an energy storage cell branch with a series circuit comprising an energy storage cell branch coupling element and at least one energy storage cell and a circumvention branch coupling element which is connected in parallel with the energy storage cell branch.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Energiespeichereinrichtung und System mit einer Energiespeichereinrichtung  Energy storage device and system with an energy storage device
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer The invention relates to an energy storage device, in particular one
Energiespeichereinrichtung mit modularem Batteriesystem für beliebige stationäre und mobile Anwendungen, sowie ein System mit einer Energiespeichereinrichtung. Energy storage device with modular battery system for any stationary and mobile applications, as well as a system with an energy storage device.
Stand der Technik State of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. It is becoming apparent that in the future both stationary applications, e.g.
Windkraftanlagen oder Solaranlagen, als auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Wind turbines or solar systems, as well as in vehicles, such as hybrid or
Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die Elemente der Leistungselektronik in das Energiespeichersystem integrieren.  Electric vehicles, increasingly electronic systems are used that integrate elements of power electronics in the energy storage system.
Die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine wird The feeding of multiphase electricity into an electric machine becomes
üblicherweise durch einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters bewerkstelligt. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Usually accomplished by a converter in the form of a pulse inverter. For this purpose, one provided by a DC voltage intermediate circuit
Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis wird dabei von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen oder beliebigen DC voltage in a multi-phase AC voltage, for example, a three-phase AC voltage to be reversed. The DC link is in this case of a string of serially interconnected battery modules or arbitrary
Gleichspannungsquellen gespeist. Fed with DC voltage sources.
Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule oder Batteriezellen in einem Energiespeichersystem in Serie geschaltet. In order to meet the power and energy requirements of a given application, multiple battery modules or battery cells are often connected in series in an energy storage system.
Die starre Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen. The rigid series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system. Furthermore, temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.
In den Druckschriften US 5,642,275 A1 und US 6,969,967 B2 sind Batteriesysteme mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Cascaded Multilevel Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Energiespeicherzelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Energiespeicherzelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Energiespeicherzelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von In the documents US 5,642,275 A1 and US 6,969,967 B2 battery systems are described with integrated inverter function. Systems of this type are under the Name Cascaded Multilevel Inverter or also Battery Direct Inverter (Battery Direct Inverter, BDI) known. Such systems include DC sources in multiple energy storage module strings which are directly connectable to an electrical machine or electrical network. In this case, single-phase or multi-phase supply voltages can be generated. The energy storage module strands in this case have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one energy storage cell and an associated controllable coupling unit, which makes it possible to interrupt the respective energy storage module strand depending on control signals or to bridge the respectively associated at least one energy storage cell or each associated with at least one energy storage cell to switch into the respective energy storage module string. By suitable control of the coupling units, for example by means of
Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulse width modulation, also suitable phase signals for controlling the phase output voltage can be provided, so that a separate
Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Pulse inverter can be dispensed with. The to control the
Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert.  Phase output required pulse inverters is thus integrated so to speak in the BDI.
BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere BDIs usually have higher efficiency and higher
Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Reliability against conventional systems. The reliability is ensured, inter alia, that defective, failed or not fully efficient battery cells by suitable bridging control of the
Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können. Die Phasenausgangsspannung eines Energiespeichermodulstrangs kann durch entsprechendes Ansteuern der Koppeleinheiten variiert und insbesondere stufig eingestellt werden. Die Stufung der Ausgangsspannung ergibt sich dabei aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls, wobei die maximal mögliche Coupling units can be switched out of the power supply lines. The phase output voltage of an energy storage module string can be varied by appropriate activation of the coupling units and in particular be set in stages. The gradation of the output voltage results from the voltage of a single energy storage module, the maximum possible
Phasenausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller Phase output voltage by the sum of the voltages of all
Energiespeichermodule eines Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird. Energy storage modules of an energy storage module string is determined.
Die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 beispielsweise offenbaren Batteriedirektinverter mit mehreren Batteriemodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Energiespeicherzelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen die jeweils zugeordnete mindestens eine Energiespeicherzelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Energiespeicherzelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Optional kann die Koppeleinheit derart gestaltet sein, dass sie es zusätzlich erlaubt, die jeweils zugeordnete mindestens eine Energiespeicherzelle auch mit inverser Polarität in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten oder auch den jeweiligen The publications DE 10 2010 027 857 A1 and DE 10 2010 027 861 A1, for example, disclose battery direct inverters with a plurality of battery module strings, which can be connected directly to an electrical machine. The energy storage module strands in this case have a plurality of energy storage modules connected in series, each energy storage module having at least one energy storage cell and an associated controllable coupling unit, which allows the respectively associated at least one in response to control signals Energy storage cell to bridge or switch the respectively associated at least one energy storage cell in the respective energy storage module string. Optionally, the coupling unit can be designed such that it additionally allows to switch the respective assigned at least one energy storage cell with inverse polarity in the respective energy storage module string or the respective
Energiespeichermodulstrang am Teilmodul zu unterbrechen und dieses gleichzeitg zu überbrücken oder auch die jeweils zugeordnete mindestens eine Energiespeicherzelle zu überbrücken. To interrupt energy storage module strand on the submodule and to bridge this at the same time or to bridge the respectively associated at least one energy storage cell.
Zur Einstellung einer Ausgangsspannung eines Energiespeichermoduls kann eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung der Koppeleinheiten erfolgen. Dadurch ist es möglich, durch gezielte Variation der Ein- bzw. Ausschaltzeiten einen gewünschten Mittelwert als Energiespeichermodulspannung auszugeben. To set an output voltage of an energy storage module, a pulse-width-modulated (PWM) control of the coupling units can take place. This makes it possible to output a desired mean value as energy storage module voltage by specific variation of the on or off times.
BDIs mit einer hohen Anzahl von Koppeleinheiten weisen häufig höhere BDIs with a high number of coupling units often have higher
Durchlassverluste auf, die die Effizienz des BDI schmälern, insbesondere bei hohen Lastströmen. Leakage losses, which reduce the efficiency of the BDI, especially at high load currents.
Es besteht daher ein Bedarf Lösungen für Energiespeichereinrichtungen mit modularem Aufbau, welche die Anzahl der notwendigen Leistungsschalter reduzieren, ohne pulsweitenmodulierte Ansteuerverfahren verwendet werden können und flexiblere Ladeansteuerstrategien ermöglichen. There is therefore a need for solutions for energy storage devices of modular design that can reduce the number of power switches required, can be used without pulse width modulated drive methods, and enable more flexible charge drive strategies.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichereinrichtung, welche zum Bereitstellen und/oder Aufnehmen elektrischer Energie in Form eines n- phasigen Stroms und einer n-phasigen Spannung ausgelegt ist, wobei n > 1 . Die The present invention, in one aspect, provides an energy storage device configured to provide and / or receive electrical energy in the form of an n-phase current and an n-phase voltage, where n> 1. The
Energiespeichereinrichtung umfasst n Phasen, wobei die Energiespeichereinrichtung beispielsweise drei Phasen in Stern- oder Dreiecksschaltung umfassen kann. Jede der Phasen umfasst eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen. Die Energiespeichermodule umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenkoppelmodul mit Koppelmodulanschlüssen, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul über die Koppelmodulanschlüsse selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungszweig zu umgehen. Jedes der Energiespeicherzellenkoppelmodule weist wiederum einen Koppelmodulstrang mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherzellenzweigmodulen auf, welche einen Energiespeicherzellenzweig mit einer Serienschaltung aus einem Energiespeicherzellenzweigkoppelelement und mindestens einer Energiespeicherzelle und ein parallel zu dem Energy storage device comprises n phases, wherein the energy storage device may comprise, for example, three phases in star or delta connection. Each of the phases includes a plurality of series connected energy storage modules. The energy storage modules each comprise an energy storage cell coupling module with coupling module connections, and a coupling device with coupling elements which are designed to selectively switch the energy storage cell module via the coupling module connections into the respective energy supply branch or to bypass the respective energy supply branch. Each of the energy storage cell coupling modules in turn has a coupling module string with a plurality of series-connected energy storage cell branch modules having an energy storage cell branch a series circuit of an energy storage cell branch coupling element and at least one energy storage cell and a parallel to the
Energiespeicherzellenzweig geschaltetes Umgehungszweigkoppelelement aufweisen. Have energy storage cell branch switched bypass branch coupling element.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer n- phasigen elektrischen Maschine, wobei n > 1 , einer Energiespeichereinrichtung, welche zum Bereitstellen und/oder Aufnehmen elektrischer Energie in Form eines n-phasigen Stroms und einer n-phasigen Spannung ausgelegt ist, und welche n parallel geschaltete Energieversorgungszweige aufweist, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, wobei jeder der In another aspect, the present invention provides a system having an n-phase electric machine, where n> 1, an energy storage device configured to provide and / or receive electrical energy in the form of an n-phase current and an n-phase voltage and having n power supply branches connected in parallel, each coupled between an output terminal and a reference potential rail, each of the
Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Power supply branches a variety of series-connected
Energiespeichermodulen aufweist. Die Energiespeichermodule umfassen jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken. Das System umfasst weiterhin n Phasenleitungen, welche jeweils einen der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung mit jeweils einem von n Phasenanschlüssen der n-phasigen elektrischen Maschine koppeln, und eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Having energy storage modules. The energy storage modules each comprise an energy storage cell module, which has at least one energy storage cell, and a coupling device with coupling elements, which are designed to selectively switch or bypass the energy storage cell module in the respective energy supply branch. The system further comprises n phase lines, each of which couples one of the output terminals of the energy storage device to each one of n phase terminals of the n-phase electric machine, and a control device configured to perform a method according to the invention.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine modular aufgebaute It is idea of the present invention, a modular design
Energiespeichereinrichtung derart aufzubauen, dass die Zahl der Koppeleinheiten minimiert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Energiespeicherzellenmodule jedes Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung ihrerseits in einer Batteriedirektkonvertertopologie (BDC) aufgebaut werden. Energy storage device to be constructed such that the number of coupling units can be minimized. This is achieved by constructing the energy storage cell modules of each energy storage module of an energy storage device in turn in a battery direct converter topology (BDC).
Batteriedirektkonvertertopologie bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die In this context, battery direct converter topology means that the
Energiespeicherzellenmodule der einzelnen Energiespeichermodule eine Serienschaltung an Energiespeicherzellen aufweisen, die über speichermodulinterne zugeordnete Energy storage cell modules of the individual energy storage modules have a series circuit of energy storage cells, which are assigned via memory module internal
Koppeleinheiten selektiv in die Serienschaltung zugeschaltet oder in dieser umgangen werden können. Dadurch weist die Energiespeichereinrichtung eine hierarchisch aufgebaute Schachtelungsstruktur auf, in der eine Vielzahl von BDCs als Coupling units selectively switched into the series circuit or can be bypassed in this. Thereby, the energy storage device has a hierarchical nesting structure in which a plurality of BDCs as
Energiespeicherzellenmodule in einem BDI zusammengeschlossen sind. Jedes der Energiespeichermodule kann in seiner Modulausgangsspannung variabilisiert werden, wodurch die Granularität der Gesamtausgangsspannung eines Energy storage cell modules are combined in a BDI. Each of the energy storage modules can be variably modulated in its module output voltage, whereby the granularity of the total output voltage of a
Energieversorgungsstrangs der Energiespeichereinrichtung wesentlich feiner eingestellt werden kann, ohne dass auf eine PWM-Ansteuerung einzelner Energiespeichermodule zurückgegriffen werden muss. Energy supply strand of the energy storage device set much finer can be used without having to resort to a PWM control of individual energy storage modules.
Dies hat den Vorteil, dass der Siliziumaufwand bei steigender Zahl von This has the advantage that the silicon cost with increasing number of
Energiespeicherzellen gegenüber bekannten Topologien mit Vollbrückenschaltungen für jede der Energiespeicherzellen verringert werden kann. Energy storage cells over known topologies with full bridge circuits for each of the energy storage cells can be reduced.
Ferner ist es vorteilhafterweise möglich, nahezu beliebige Ausgangsspannungen und Energiespeicherkapazitäten auf der Basis gleichartiger Bausteine für die Furthermore, it is advantageously possible to almost any output voltages and energy storage capacities on the basis of similar building blocks for the
Energiespeichermodule durch geeignete modulare hierarchische Strukturierung der Energiespeichereinrichtung zu realisieren. To realize energy storage modules by suitable modular hierarchical structuring of the energy storage device.
Ein weiterer Vorteil dieser Topologie ist die Realisierung sehr kleiner Werte der Total Harmonie Distortion (THD) durch die der Sollspannung angepasst Stufung in der Ausgangsspannung. Diese adaptive Stufung kann durch Änderung der Another advantage of this topology is the realization of very small values of Total Harmonic Distortion (THD) by adjusting the set voltage in the output voltage. This adaptive grading can be achieved by changing the
Zwischenkreisspannung bestimmter Energiespeichermodule und durch die Möglichkeit, mittels Vollbrücken Energiespeichermodule in positiver und negativer Polarität zu kaskadieren, realisiert werden. DC link voltage certain energy storage modules and by the ability to cascade by means of full bridges energy storage modules in positive and negative polarity can be realized.
Durch den hierarchischen Aufbau kann weiterhin innerhalb eines Energiespeichermoduls ein Ladevorgang für einzelne Energiespeicherzellen stattfinden, während das Due to the hierarchical structure can continue to take place within an energy storage module, a charging process for individual energy storage cells, while the
Energiespeichermodul selbst noch im Betrieb ist, d.h. andere der Energiespeicherzellen zur Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs beitragen. Dadurch kann einerseits die Verfügbarkeit des gesamten Systems optimiert werden. Andererseits ist dadurch ein problemloses Balancing aufgrund von Alterungseffekten der einzelnen Energiespeicherzellen möglich, was die insgesamte Versorgungskapazität der Energy storage module itself is still in operation, i. others of the energy storage cells contribute to the output voltage of a power supply branch. As a result, on the one hand, the availability of the entire system can be optimized. On the other hand, this makes it possible to easily balance due to aging effects of the individual energy storage cells, what the overall supply capacity of
Energiespeichereinrichtung beträchtlich verbessert. Zudem ist es möglich, die Energy storage device considerably improved. In addition, it is possible the
Wärmeverteilung innerhalb der Energiespeichereinrichtung sehr genau und flexibel zu regeln. Heat distribution within the energy storage device very precise and flexible to regulate.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen Koppelelemente in Vollbrückenschaltung umfassen. Alternativ können die Koppeleinrichtungen Koppelelemente in Halbbrückenschaltung umfassen. According to one embodiment of the energy storage device according to the invention, the coupling devices may comprise coupling elements in full-bridge connection. Alternatively, the coupling devices may comprise coupling elements in a half-bridge circuit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen According to a further embodiment of the invention
Energiespeichereinrichtung können die Energiespeicherzellen Lithium-Ionen- Akkumulatoren, Doppelschichtkondensatoren, Elektrolytkondensatoren oder ähnliche Energiespeicherkomponenten umfassen. Energy storage device, the energy storage cells lithium-ion Accumulators, double-layer capacitors, electrolytic capacitors or similar energy storage components include.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen According to a further embodiment of the invention
Energiespeichereinrichtung können die Koppelelemente, die Energy storage device, the coupling elements, the
Energiespeicherzellenzweigkoppelelemente und/oder die Energy storage cell branch coupling elements and / or the
Umgehungszweigkoppelelemente Leistungshalbleiterschalter umfassen. Bypass couplers include power semiconductor switches.
Dabei können gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen It can according to another embodiment of the invention
Energiespeichereinrichtung die Leistungshalbleiterschalter Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, IGBT, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, JFET, oder Metalloxid- Halbleiterfeldeffekttransistoren, MOSFET, umfassen. Energy storage device, the power semiconductor switches insulated gate bipolar transistors, IGBT, junction field effect transistors, JFET, or metal oxide semiconductor field effect transistors, MOSFET include.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann die n-phasige elektrische Maschine eine Synchronmaschine oder eine geschaltete Reluktanzmaschine umfassen. According to one embodiment of the system according to the invention, the n-phase electric machine may comprise a synchronous machine or a switched reluctance machine.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Fig. 1 is a schematic representation of a system with a
Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;  Energy storage device according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of a
Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ;  Energy storage module of an energy storage device according to Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a
Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ;  Energy storage module of an energy storage device according to Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of a
Energiespeicherzellenkoppelmoduls eines Energiespeichermoduls nach Fig. 2 oder 3; Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energy storage cell coupling module of an energy storage module according to Fig. 2 or 3; Fig. 5 is a schematic representation of an embodiment of a
Energiespeicherzellenzweigmoduls eines  Energy storage cell branch module of a
Energiespeicherzellenkoppelmoduls nach Fig. 4; und Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante für eine  Energy storage cell coupling module according to Fig. 4; and FIG. 6 shows a schematic illustration of an embodiment variant for a
Energiespeichereinrichtung.  Energy storage device.
Fig. 1 zeigt ein System 100 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 100 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in1 shows a system 100 for voltage conversion of DC voltage provided by energy storage modules 3 into an n-phase AC voltage. The system 100 comprises an energy storage device 1 with energy storage modules 3, which in
Energieversorgungszweigen in Serie geschaltet sind, wodurch elektrische Energie durch die Energiespeichereinrichtung 1 in Form eines n-phasigen Stroms und einer n-phasigen Spannung bereitgestellt und/oder aufgenommen werden kann. Beispielhaft sind in Fig. 1 drei Energieversorgungszweige Z1 , Z2 und Z3 gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Power supply branches are connected in series, whereby electrical energy can be provided and / or absorbed by the energy storage device 1 in the form of an n-phase current and an n-phase voltage. By way of example, three energy supply branches Z1, Z2 and Z3 are shown in FIG. 1, which are suitable for generating a three-phase alternating voltage, for example for a three-phase machine. However, it is clear that any other number of power supply branches may be possible as well. The energy storage device 1 has at each
Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss 1 a, 1 b, 1 c, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen sind, die die Energiespeichereinrichtung 1 mit einer elektrischen Maschine 2 koppeln. Beispielhaft dient das System 100 in Fig. 1 zur Speisung einer elektrischen Maschine 2. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Pufferung von elektrischem Strom für ein Power supply branch via an output terminal 1 a, 1 b, 1 c, which are respectively connected to phase lines 2a, 2b and 2c, which couple the energy storage device 1 with an electric machine 2. By way of example, the system 100 in FIG. 1 serves to supply an electric machine 2. However, it can also be provided that the energy storage device 1 is used for buffering electric current for a
Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die Power supply network 2 is used. The system 100 may further include a controller 6 connected to the energy storage device 1 and by means of which the
Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten Energy storage device 1 can be controlled to the desired
Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b, 1 c bereitzustellen. Die Energieversorgungszweige Z1 , Z2 und Z3 können an ihrem Ende mit einem Output voltages to the respective output terminals 1 a, 1 b, 1 c provide. The power supply branches Z1, Z2 and Z3 can at their end with a
Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden werden. Diese kann in Bezug auf die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c der elektrischen Maschine 2 ein mittleres Potential führen und beispielsweise mit einem Massepotential verbunden werden. Dabei kann das  Reference potential 4 (reference rail) are connected. This can lead to an average potential with respect to the phase lines 2a, 2b, 2c of the electric machine 2 and, for example, be connected to a ground potential. It can do that
Bezugspotential 4 beispielsweise mit dem Sternpunkt 4a der elektrischen Maschine 2 gekoppelt werden. Jeder der Energieversorgungszweige Z1 , Z2 und Z3 weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig in Fig. 1 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige Z1 , Z2 und Z3 die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Reference potential 4, for example, be coupled to the neutral point 4a of the electric machine 2. Each of the power supply branches Z1, Z2 and Z3 has at least two energy storage modules 3 connected in series. By way of example, the number of energy storage modules 3 per power supply branch in FIG. 1 is three, but any other number of energy storage modules 3 is also possible. Preferably In this case, each of the energy supply branches Z1, Z2 and Z3 comprises the same number of energy storage modules 3, but it is also possible for each
Energieversorgungszweig Z1 , Z2 und Z3 eine unterschiedliche Anzahl an Energy supply branch Z1, Z2 and Z3 a different number
Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Provide energy storage modules 3.
Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Diese vorgenannte Ausgangsspannung kann unabhängig von der Spannungslage der Gleichspannungsquelle im Energiespeichermodul 3 eingestellt werden. The energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b, via which an output voltage of the energy storage modules 3 can be provided. This aforementioned output voltage can be set independently of the voltage level of the DC voltage source in the energy storage module 3.
Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den Fig. 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Exemplary construction forms of the energy storage modules 3 are shown in greater detail in FIGS. 2 and 3. The energy storage modules 3 each comprise one
Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a und 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Coupling device 7 with a plurality of coupling elements 7a and 7c and optionally 7b and 7d. The energy storage modules 3 further include one each
Energiespeicherzellenkoppelmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellenzweigmodulen 15, wie im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 weiter unten genauer erläutert. Energy storage cell coupling module 5 with one or more series-connected energy storage cell branch modules 15, as explained in more detail below in connection with FIGS. 4 and 5 below.
Die Energiespeicherzellenkoppelmodule 5 sind über Koppelmodulanschlüsse 5a, 5b mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die The energy storage cell coupling modules 5 are connected via coupling module connections 5a, 5b to input terminals of the associated coupling device 7. The
Koppeleinrichtung 7 ist in Fig. 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die Coupling device 7 is exemplified in FIG. 2 as a full bridge circuit with two coupling elements 7a, 7c and two coupling elements 7b, 7d. The
Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Leistungshalbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Leistungshalbleiterschalter können beispielsweise Coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d can each have an active switching element, for example a power semiconductor switch, and a freewheeling diode connected in parallel with it. The power semiconductor switches can, for example
Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden auch jeweils in die Leistungshalbleiterschalter integriert sein. Field effect transistors (FETs) have. In this case, the freewheeling diodes can also be integrated in each case in the power semiconductor switch.
Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 6 in Fig. 1 , dass das The coupling elements 7a, 7b, 7c, 7d in Fig. 2 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 6 in Fig. 1, that the
Energiespeicherzellenkoppelmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenkoppelmodul 5 in dem jeweiligen Energieversorgungszweig Z1 , Z2, Z3 umgangen bzw. überbrückt wird. Beispielsweise kann das Energiespeicherzellenkoppelmodul 5 in Vorwärtsrichtung zwischen die Energy storage cell coupling module 5 is selectively connected between the output terminals 3a and 3b or that the energy storage cell coupling module 5 is bypassed in the respective power supply branch Z1, Z2, Z3 or bridged. For example, the energy storage cell coupling module 5 in the forward direction between the
Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das Koppelelement 7d rechts unten und das Koppelelement 7a links oben in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen Koppelelemente in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand bzw. Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, indem die beiden Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Output terminals 3a and 3b are switched by the coupling element 7d bottom right and the coupling element 7a top left are placed in a closed state, while the other two coupling elements are placed in an open state. A bypass state may be, for example be adjusted by the two coupling elements 7a and 7b are placed in the closed state, while the two coupling elements 7c and 7d are held in the open state.
Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne By suitable activation of the coupling devices 7 can therefore individual
Energiespeicherzellenkoppelmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Energy storage cell coupling modules 5 of the energy storage modules 3 targeted in the
Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs Z1 bis Z3 integriert werden. Series connection of a power supply branch Z1 to Z3 are integrated.
Fig. 3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in Fig. 3 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 7 zwei statt vier Koppelelemente aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind. 3 shows a further exemplary embodiment of an energy storage module 3. The energy storage module 3 shown in FIG. 3 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 2 only in that the coupling device 7 has two instead of four coupling elements which are in half-bridge instead of full-bridge are interconnected.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fig. 4 shows a schematic representation of an embodiment of a
Energiespeicherzellenkoppelmoduls 5 eines Energiespeichermoduls 3 nach Fig. 2 oder 3. Das Energiespeicherzellenkoppelmodul 5 weist einen Koppelmodulstrang Z mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherzellenzweigmodulen 15 auf. Die Energiespeicherzellenzweigmodulen 15 weisen dabei jeweils Zweigmodulanschlüsse 15a, 15b auf, über weide die Energiespeicherzellenzweigmodulen 15 in Serie verbunden sind. Die Anzahl der Energiespeicherzellenzweigmodule 15 pro Energy storage cell coupling module 5 of an energy storage module 3 of FIG. 2 or 3. The energy storage cell coupling module 5 has a coupling module string Z with a plurality of series-connected energy storage cell branch modules 15. The energy storage cell branch modules 15 each have branch module connections 15a, 15b, via which the energy storage cell branch modules 15 are connected in series. The number of energy storage cell branch modules 15 per
Energiespeicherzellenkoppelmodul 5 ist in Fig. 4 beispielhaft mit drei dargestellt, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeicherzellenzweigmodulen 15 pro  Energy storage cell coupling module 5 is shown in Fig. 4 by way of example with three, but each other number of energy storage cell branch modules 15 per
Energiespeicherzellenkoppelmodul 5 ebenso möglich sein kann. Energy storage cell coupling module 5 may also be possible.
Wie in Fig. 5 weiter gezeigt, umfasst jedes der Energiespeicherzellenzweigmodule 15 eine ähnliche Topologie wie das in Fig. 3 gezeigte Energiespeichermodul 3, d.h. die Energiespeicherzellenzweigmodule 15 umfassen jeweils einen As further shown in FIG. 5, each of the energy storage cell branch modules 15 includes a similar topology to the energy storage module 3 shown in FIG. the energy storage cell branch modules 15 each include one
Energiespeicherzellenzweig 16 und ein parallel zu dem Energiespeicherzellenzweig 16 geschaltetes Umgehungszweigkoppelelement 17a. Der Energiespeicherzellenzweig 16 umfasst dabei eine Serienschaltung aus einem Energiespeicherzellenzweigkoppelelement 17c und mindestens einer Energiespeicherzelle 16a, 16k. Das Energy storage cell branch 16 and a parallel to the energy storage cell branch 16 connected bypass branch coupling element 17a. The energy storage cell branch 16 in this case comprises a series circuit comprising an energy storage cell branch coupling element 17c and at least one energy storage cell 16a, 16k. The
Energiespeicherzellenzweigkoppelelement 17c und das Umgehungszweigkoppelelement 17a bilden dabei eine Halbbrückenschaltung, über die der Energiespeicherzellenzweig 16 mit den Energiespeicherzellen 16a, 16k selektiv in den Koppelmodulstrang Z geschaltet oder in jenem überbrückt bzw. umgangen werden kann. Das Energiespeicherzellenzweigmodul 15 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 16a, 16k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren, Energy storage cell branch coupling element 17c and the bypass branch coupling element 17a form a half-bridge circuit via which the energy storage cell branch 16 can be selectively connected to the energy storage cells 16a, 16k in the coupling module strand Z or bypassed or bypassed in that. The energy storage cell branch module 15 can, for example, be connected in series with batteries 16a, 16k, for example lithium-ion batteries or accumulators,
Doppelschichtkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 16a, 16k in dem in Fig. 5 gezeigten Double layer capacitors or electrolytic capacitors have. In this case, the number of energy storage cells 16a, 16k in that shown in Fig. 5
Energiespeicherzellenzweigmodul 15 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 16a, 16k ebenso möglich ist. Energy storage cell branch module 15 exemplified two, but any other number of energy storage cells 16a, 16k is also possible.
In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente als In the illustrated embodiments, the active switching elements as
Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein. Power semiconductor switches, for example in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field Effect Transistors) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), be executed.
Damit ist jedes der Energiespeicherzellenkoppelmodule 5 in sich gewissermaßen als Batteriedirektkonverter (BDC) aufgebaut. Durch das Einstellen verschiedener Thus, each of the energy storage cell coupling modules 5 is in a sense constructed as a battery direct converter (BDC). By setting different
Koppelzustände der Energiespeicherzellenzweigkoppelelemente 17c und das Coupling states of the energy storage cell branch coupling elements 17c and the
Umgehungszweigkoppelelemente 17a pro Energiespeicherzellenzweigmodul 15 können verschiedene Ausgangsspannung für jedes der Energiespeicherzellenkoppelmodule 5 realisiert werden, ohne dass auf eine Pulsbreitenmodulationsverfahren (PWM)  By-pass branch coupling elements 17a per energy storage cell branch module 15, different output voltages for each of the energy storage cell coupling modules 5 can be realized without relying on a pulse width modulation (PWM) method.
zurückgegriffen werden muss. Die Zahl der notwendigen Leistungshalbleiterschalter ist reduziert, da jeweils nur zwei Koppelelemente pro Energiespeicherzellenzweigmodul 15 notwendig sind. Dies bedingt automatisch auch eines Reduktion des must be resorted to. The number of power semiconductor switches required is reduced since only two coupling elements per energy storage cell branch module 15 are necessary in each case. This automatically implies a reduction of the
Durchlasswiderstands jedes Energiespeicherzellenkoppelmoduls 5, da jede On resistance of each energy storage cell coupling module 5, since each
Energiespeicherzelle 16a, 16k im Koppelmodulstrang Z separat ein- und auskoppelbar ist. Innerhalb eines Energieversorgungszweigs Z1 bis Z3 ist damit ein gleichzeitiges Laden und Entladen von verschiedenen Energiespeicherzellen 16a, 16k möglich. Dies erhöht beispielsweise die Reichweite einer Traktionsbatterie, in der eine Energy storage cell 16a, 16k in the coupling module string Z is separately on and coupled out. Within a power supply branch Z1 to Z3 is thus a simultaneous charging and discharging of different energy storage cells 16a, 16k possible. This increases, for example, the range of a traction battery in which a
Energiespeichereinrichtung 1 eingesetzt wird, insbesondere bei unterschiedlich gealterten Innenwiderständen der Energiespeicherzellen 16a, 16k. Dazu können  Energy storage device 1 is used, in particular at different aged internal resistances of the energy storage cells 16a, 16k. Can do this
Energiespeicherzellenzweigmodule 15, deren Energiespeicherzellen 16a, 16k nahe der unteren Abbruchspannung eine überdurchschnittlich hohe Überspannung unter Last aufweisen, durch die übrigen Energiespeicherzellenzweigmodule 15 gestützt werden. Energy storage cell branch modules 15, whose energy storage cells 16a, 16k have an above-average overvoltage under load near the lower termination voltage, are supported by the remaining energy storage cell branch modules 15.
Durch den Einsatz einer derartigen Energiespeichereinrichtung 1 ist es möglich, eine n- phasige Versorgungsspannung, beispielsweise für eine elektrische Maschine 2 The use of such an energy storage device 1 makes it possible to provide an n-phase supply voltage, for example for an electrical machine 2
bereitzustellen. Dazu können Phasenleitungen 2a, 2b, 2c mit jeweiligen der provide. For this purpose, phase lines 2a, 2b, 2c with respective of
Ausgangsanschlüsse 1 a, 1 b, 1 c verbunden werden, wobei die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c ihrerseits mit Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine 2 verbunden werden können. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 2 eine dreiphasige elektrische Maschine sein, zum Beispiel eine dreiphasige Asynchronmaschine, eine Output terminals 1 a, 1 b, 1 c are connected, wherein the phase lines 2a, 2b, 2c are in turn connected to phase terminals of the electric machine 2 can. For example, the electric machine 2 may be a three-phase electric machine, for example a three-phase asynchronous machine
Synchronmaschine oder eine geschaltete Reluktanzmaschine, die über der Maschine 2 interne Induktivitäten 2d verfügt. Synchronous machine or a switched reluctance machine, which has 2d inductors 2d above the machine.
Die Energiespeichereinrichtung 1 kann beispielsweise mit einer regenerativen The energy storage device 1 can, for example, with a regenerative
Energiequelle, z.B. einem Photovoltaikmodul, und/oder einem lokalen oder zentralen Stromnetz, z.B. Hausanschluss des Energieversorgers, gekoppelt sein. Weiterhin kann die Energiespeichereinrichtung 1 mit dem elektrischen Generator eines gekoppelten Wärme-Kraft-Systems und/oder einem lokalen oder zentralen Stromnetz, z.B. Energy source, e.g. a photovoltaic module, and / or a local or central power grid, e.g. House connection of the energy supplier, be coupled. Furthermore, the energy storage device 1 may be connected to the electric generator of a coupled heat and power system and / or a local or central power grid, e.g.
Hausanschluss des Energieversorgers, verbunden werden. Selbstverständlich kann es auch möglich sein, die Energiespeichereinrichtung 1 mit beliebigen Kombinationen der Systeme der elektrischen Energieversorgung zu verbinden. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante einer  House connection of the energy supplier, be connected. Of course, it may also be possible to connect the energy storage device 1 with any combination of systems of electrical power supply. Fig. 6 shows a schematic representation of an embodiment of a
Energiespeichereinrichtung beim Anschluss an eine dreiphasige elektrische Maschine. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung in Fig. 6 gemäß den technischen Vorgaben in Bezug auf die Fig. 1 bis 5 realisiert werden.  Energy storage device when connecting to a three-phase electrical machine. For example, the energy storage device in Fig. 6 according to the technical specifications with reference to Figs. 1 to 5 can be realized.

Claims

Ansprüche claims
1 . Energiespeichereinrichtung (1 ), welche zum Bereitstellen und/oder Aufnehmen 1 . Energy storage device (1), which for providing and / or recording
elektrischer Energie in Form eines n-phasigen Stroms und einer n-phasigen Spannung ausgelegt ist, wobei n > 1 , mit:  electrical energy in the form of an n-phase current and an n-phase voltage, where n> 1, with:
n Energieversorgungszweigen (Z1 ; Z2; Z3), wobei jeder der  n power supply branches (Z1; Z2; Z3), each of the
Energieversorgungszweige (Z1 ; Z2; Z3) eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen:  Power supply branches (Z1; Z2; Z3) comprises a plurality of series-connected energy storage modules (3), each comprising:
ein Energiespeicherzellenkoppelmodul (5) mit Koppelmodulanschlüssen (5a, 5b), , und  an energy storage cell coupling module (5) with coupling module connections (5a, 5b),, and
eine Koppeleinrichtung (7) mit Koppelelementen (7a; ...; 7d), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) über die Koppelmodulanschlüsse (5a, 5b) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z1 ; Z2; Z3) zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungszweig (Z1 ; Z2; Z3) zu umgehen,  a coupling device (7) with coupling elements (7a; ...; 7d) which are designed to switch the energy storage cell module (5) selectively via the coupling module connections (5a, 5b) into the respective energy supply branch (Z1; Z2; Z3) in the respective energy supply branch (Z1; Z2; Z3),
wobei jedes der Energiespeicherzellenkoppelmodule (5) aufweist:  wherein each of the energy storage cell coupling modules (5) comprises:
einen Koppelmodulstrang (Z) mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten  a coupling module strand (Z) with a plurality of series-connected
Energiespeicherzellenzweigmodulen (15), welche einen Energiespeicherzellenzweig (16) mit einer Serienschaltung aus einem Energiespeicherzellenzweigkoppelelement (17c) und mindestens einer Energiespeicherzelle (16a, 16k) und ein parallel zu dem Energiespeicherzellenzweig (16) geschaltetes Umgehungszweigkoppelelement (17a) aufweist.  Energy storage cell branch modules (15) having an energy storage cell branch (16) with a series circuit of a Energiepeicherzellenzweigkoppelelement (17c) and at least one energy storage cell (16a, 16k) and a parallel to the energy storage cell branch (16) connected bypass branch coupling element (17a).
2. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Energiespeichereinrichtung (1 ) drei Phasen aufweist, die über Ausgangsanschlüsse (1 a; 1 b; 1 c) mit einer elektrischen Maschine (2) in Stern- oder Dreieckschaltung verbindbar sind. 2. Energy storage device (1) according to claim 1, wherein the energy storage device (1) has three phases, which are connectable via output terminals (1 a; 1 b; 1 c) with an electrical machine (2) in star or delta connection.
3. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die 3. Energy storage device (1) according to claim 1 or 2, wherein the
Koppeleinrichtungen (7) Koppelelemente (7a; 7b; 7c; 7d) in Vollbrückenschaltung umfassen.  Coupling devices (7) comprise coupling elements (7a; 7b; 7c; 7d) in full-bridge connection.
4. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die 4. Energy storage device (1) according to claim 1 or 2, wherein the
Koppeleinrichtungen (7) Koppelelemente (7a; 7c) in Halbbrückenschaltung umfassen.  Coupling devices (7) comprise coupling elements (7a, 7c) in a half-bridge circuit.
5. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die 5. Energy storage device (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the
Energiespeicherzellen (16a, 16k) Lithium-Ionen-Akkumulatoren,  Energy storage cells (16a, 16k) lithium-ion batteries,
Doppelschichtkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren umfassen. Double layer capacitors or electrolytic capacitors include.
6. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die 6. energy storage device (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the
Koppelelemente (7a; ...; 7d), die Energiespeicherzellenzweigkoppelelemente (17c) und/oder die Umgehungszweigkoppelelemente (17a) Leistungshalbleiterschalter umfassen.  Coupling elements (7a; ...; 7d), the energy storage cell branch coupling elements (17c) and / or the bypass branch coupling elements (17a) comprise power semiconductor switches.
7. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach Anspruch 6, wobei die Leistungshalbleiterschalter Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, IGBT, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, JFET, oder Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistoren, MOSFET, umfassen. The energy storage device (1) according to claim 6, wherein the power semiconductor switches comprise insulated gate bipolar transistors, IGBTs, junction field effect transistors, JFETs, or metal oxide semiconductor field effect transistors, MOSFETs.
8. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die 8. Energy storage device (1) according to one of claims 1 to 7, wherein the
Energiespeichereinrichtung (1 ) mit einer regenerativen Energiequelle, z.B. einem Photovoltaikmodul, und/oder einem lokalen oder zentralen Stromnetz, z.B.  Energy storage device (1) with a regenerative energy source, e.g. a photovoltaic module, and / or a local or central power grid, e.g.
Hausanschluss des Energieversorgers, gekoppelt ist.  House connection of the energy supplier, is coupled.
9. System (100), mit: 9. System (100), with:
einer n-phasigen elektrischen Maschine (2), wobei n > 1 ;  an n-phase electric machine (2), where n> 1;
einer Energiespeichereinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und n Phasenleitungen (2a, 2b, 2c), welche jeweils einen der Ausgangsanschlüsse (1 a, 1 b, an energy storage device (1) according to one of claims 1 to 7; and n phase lines (2a, 2b, 2c), each having one of the output terminals (1a, 1b,
1 c) der Energiespeichereinrichtung (1 ) mit jeweils einem von n Phasenanschlüssen der n-phasigen elektrischen Maschine (2) koppeln. 1 c) of the energy storage device (1) with in each case one of n phase terminals of the n-phase electric machine (2) couple.
10. System (100) nach Anspruch 9, wobei die n-phasige elektrische Maschine (2) eine Synchronmaschine, eine Asynchronmaschine oder eine geschaltete 10. System (100) according to claim 9, wherein the n-phase electric machine (2) is a synchronous machine, an asynchronous machine or a switched one
Reluktanzmaschine umfasst.  Reluctance machine includes.
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