WO2015113780A1 - Energy storage device, system having an energy storage device and method for actuating an energy storage device - Google Patents

Energy storage device, system having an energy storage device and method for actuating an energy storage device Download PDF

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WO2015113780A1
WO2015113780A1 PCT/EP2015/050042 EP2015050042W WO2015113780A1 WO 2015113780 A1 WO2015113780 A1 WO 2015113780A1 EP 2015050042 W EP2015050042 W EP 2015050042W WO 2015113780 A1 WO2015113780 A1 WO 2015113780A1
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WO
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energy storage
power supply
voltage
phase
output voltage
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PCT/EP2015/050042
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Alexander Ross
Thomas ZELTWANGER
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • Energy storage device system with energy storage device and method for driving an energy storage device
  • the invention relates to an energy storage device, a system with a
  • Wind turbines or solar systems as well as in vehicles such as hybrid or
  • Electric vehicles increasingly electronic systems are used, which combine new energy storage technologies with electric drive technology.
  • FIG. 1 shows the supply of three-phase current to a three-phase electrical machine 101.
  • a DC voltage provided by a DC voltage intermediate circuit 103 is converted into a three-phase AC voltage via a converter in the form of a pulse-controlled inverter 102.
  • the DC intermediate circuit 103 is fed by a string 104 of serially connected battery modules 105.
  • multiple battery modules 105 are often connected in series in a traction battery 104.
  • the series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system.
  • temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.
  • Multilevel Cascaded Inverter or Battery Direct Inverter Battery Direct Inverter (Battery Direct Inverter, BDI) known.
  • BDI Battery Direct Inverter
  • Such systems include DC voltage sources in a plurality of energy storage module strings, which are directly connectable to an electrical machine or an 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, wherein each energy storage module has at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which makes it possible to interrupt the respective energy storage module string depending on control signals or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each associated with at least one battery cell in the respective energy storage module string to switch.
  • phase signals for controlling the phase output voltage so that a separate pulse inverter can be dispensed with.
  • the required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated so to speak in the BDI.
  • BDIs usually have higher efficiency and higher
  • the present invention therefore provides, in one aspect
  • Energy storage device for generating a three-phase supply voltage, with three parallel-connected power supply branches, each between a Output terminal and a reference potential rail are coupled, wherein each of the power supply branches a plurality of series-connected
  • Each of the energy storage modules comprises 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 the energy storage cell module into the respective energy supply branch or to bypass it in the respective energy supply branch.
  • Energy storage device further comprises a control device which is adapted to determine the power supply branch with the lowest possible maximum output voltage, and to control the coupling means of the two other power supply branches so that their output voltage from the sum of a symmetrical voltage component whose amount of
  • asymmetric voltage components of the two remaining power supply branches is 60 °.
  • the present invention provides a system comprising a three-phase electrical machine, three phase lines coupled to one of each of three phase terminals of the electrical machine, and one
  • the present invention provides a method for driving an energy storage device to generate a three-phase
  • the method comprises the steps of determining the power supply branch with the lowest possible maximum output voltage, and driving the remaining two power supply branches, so that their
  • asymmetric voltage components of the two remaining power supply branches is 60 °.
  • Use voltage supply of a three-phase electric machine in which the generation of the phase voltages is compensated in such a way that differences in the maximum output voltages in the individual power supply branches are compensated by skillful control of the individual power supply branches. This can be achieved by dividing the output voltages of the individual power supply branches in the space vector diagram into symmetrical and asymmetrical voltage components, and the asymmetrical ones
  • Voltage shares of even more powerful power supply branches are adjusted in phase offset to each other to compensate for the lack of performance of the rest of the energy supply branch at least partially.
  • Neutral point displacement at the star point of a connected electric machine causes. This (virtual) neutral shift allows a symmetrical rotating field to be maintained over a wider voltage range than would be possible with the lowest possible maximum output voltage through the power supply branch.
  • the energy storage device may have semiconductor switches, for example MOSFET switches, as coupling elements. It can be provided according to a further embodiment that the coupling elements in
  • Fig. 1 is a schematic representation of a power supply system for a three-phase electric machine
  • Fig. 2 is a schematic representation of a system with a
  • Fig. 3 is a schematic representation of an energy storage module in
  • FIG. 4 is a schematic representation of an energy storage module in FIG.
  • Half-bridge circuit of an energy storage device of Figure 2 according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a schematic illustration of a space vector diagram for
  • Fig. 6 is a schematic illustration of a space vector diagram for modified
  • Fig. 7 is a schematic representation of a method for driving a
  • the system 200 shows a system 200 for voltage conversion of DC voltage, which is provided by m energy storage modules 3, into an n-phase AC voltage.
  • the system 200 includes an energy storage device 1 with energy storage modules 3, which are connected in series in power supply branches.
  • three energy supply branches are shown in FIG. 2, which are suitable for generating a three-phase alternating voltage, for example for a three-phase machine 2.
  • the energy storage device 1 has at each power supply branch via an output terminal la, lb, lc, which are respectively connected to phase lines 2a, 2b and 2c.
  • the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2.
  • the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2.
  • the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2.
  • the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2.
  • the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2.
  • the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2.
  • the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2.
  • Power supply network 2 is used.
  • the system 200 may further include a controller 6, which is connected to the energy storage device 1, and by means of which the
  • Energy storage device 1 can be controlled to the desired
  • the power supply branches can be connected at their end to a reference potential 4 (reference rail) which, in the illustrated embodiment, has an average potential with respect to the phase lines 2a, 2b, 2c of the electric machine 2.
  • the reference potential 4 may be, for example, a ground potential.
  • Each of the power supply branches has at least two in series
  • Energy storage modules 3 on.
  • the number of energy storage modules 3 per power branch in FIG. 2 is three, but any other number of energy storage modules 3 is also possible.
  • each of the energy supply branches preferably comprises the same number of energy storage modules 3, but it is also possible to provide a different number of energy storage modules 3 for each energy supply branch.
  • 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. Exemplary construction forms of the energy storage modules 3 are shown in greater detail in FIGS. 3 and 4.
  • the energy storage modules 3 each comprise one
  • Coupling device 9 with a plurality of coupling elements 7 and 8.
  • the energy storage modules 3 each further comprise an energy storage cell module 5 with one or more series-connected energy storage cells 5a, 5n.
  • the energy storage cell module 5 may have, for example, serially connected batteries 5a to 5n, for example lithium-ion batteries.
  • the number of the energy storage cells 5a to 5n is as shown in FIG.
  • Energy storage module 3 exemplified two, but any other number of
  • Energy storage cells 5a to 5n is also possible.
  • the energy storage cell modules 5 are connected via connecting lines
  • Coupling device 9 is shown in Fig. 3 by way of example as a full bridge circuit with two each
  • Coupling elements 7 and two coupling elements 8 is formed.
  • the coupling elements 7 can each have an active switching element 7a, for example a
  • the coupling elements 8 can each case an active switching element 8a, for example, a semiconductor switch 8a, and a parallel thereto
  • the semiconductor switches 7a and 8a may be, for example
  • FETs Field effect transistors
  • the free-wheeling diodes 7b and 8b may also be integrated into the semiconductor switches 7a and 8a, respectively.
  • the coupling elements 7 and 8 in Fig. 3 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 6 in Fig. 2, that the energy storage cell module 5 is selectively connected between the output terminals 3a and 3b or that
  • Energy storage cell module 5 bridged or bypassed in the power supply branch.
  • the energy storage cell module 5 can be switched forwardly between the output terminals 3a and 3b by putting the active switching element 8a on the lower right and the active switching element 7a on the upper left in a closed state while the two remaining active ones
  • a bypass state can be set by, for example, setting the Both active switching elements 8a are placed in the closed state, while the two active switching elements 7a are kept in the open state.
  • Series connection of a power supply branch can be integrated.
  • the energy storage module 3 shown in FIG. 4 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 3 only in that the coupling device 9 has two instead of four coupling elements 7, 8 which are in a half-bridge circuit instead of in
  • the active switching elements 7a and 8a and the coupling elements 7 and 8 as a power semiconductor switch, for example in the form of IGBTs (insulated gate bipolar transistor), JFETs (junction field-effect transistor) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field -Effect transistor).
  • IGBTs insulated gate bipolar transistor
  • JFETs junction field-effect transistor
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field -Effect transistor
  • Control in steps of a negative maximum value up to a positive maximum value can be varied.
  • the gradation of the voltage level results in this case depending on the gradation of the individual energy storage cell modules 5. For example, a mean voltage value between two by the gradation of
  • Energy storage module 3 provides on average over time a module voltage which may have a value between zero and the maximum possible module voltage determined by the energy storage cells 5a to 5n. The activation of the
  • Coupling elements 7, 8 can, for example, make a control device 6, which is designed to perform, for example, a current control with a lower-voltage control, so that a gradual connection or disconnection of individual energy storage modules 3 can take place.
  • Output terminals 1 a, 1 b, 1 c are connected, wherein the phase lines 2a, 2b, 2c in turn can be connected to phase terminals of the electric machine 2.
  • the electric machine 2 may be a three-phase electric machine, for example a three-phase rotary field machine.
  • Phase voltage u at a second output terminal 1 b, for example, the
  • Phase voltage v and at a third output terminal 1 c for example, the phase voltage w are generated.
  • the phase voltages u, v and w which have a relative phase shift of 120 ° to one another, can be fed, for example via phase lines 2a, 2b, 2c in the phase terminals of the three-phase electric machine 2 to ensure a three-phase power supply of the electric machine 2.
  • the space vectors are of different lengths. As shown by way of example in Fig. 5, the space vector u is that of the lowest possible maximum output voltage
  • phase current can be expressed as the relationship between the two other phase currents.
  • pairwise differential voltages between each two of the three phase terminals of the electric machine 2 It is therefore possible to provide a three-phase supply voltage for an electric machine 2 only using two branches of energy supply in an energy storage device.
  • the procedure can be as follows: First, we determined the power supply branch with the lowest possible maximum output voltage, in the case of FIG. 5 the power supply branch with the phase voltage u. Finally, the power supply branch with the phase voltage u.
  • Coupling means 9 of the two other power supply branches so controlled that the output voltage of the sum of a symmetrical voltage component us and an asymmetric voltage component, among others, is formed.
  • Voltage component us is determined by the value
  • Voltage component corresponds to the amount of the difference of the amounts of the second smallest possible maximum output voltage
  • the symmetrical voltage components us of the individual power supply branches follow the conventional drive method and therefore each have a pairwise phase offset of 120 ° to each other.
  • asymmetrical voltage components of the two power supply branches each having the higher maximum possible output voltages, is 60 ° to pass through the differential voltage of the asymmetrical voltage components in the phase line of the power supply branch with the lowest possible maximum
  • Output voltages can accordingly the phase voltage of the
  • the more efficient power supply branches may be the lack of power of the present
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a space vector diagram with space vectors u, v 'and w' corresponding to a virtual star point shift sv (length 58% of the
  • Space vector u, v 'and w' a three-phase power supply system in which a three-phase symmetrical rotating field with improved voltage level
  • Figure 7 shows a schematic representation of a method 20 for driving a
  • Energy storage device for example, an energy storage device 1 as shown in Fig. 2, which is designed to generate a three-phase supply voltage.
  • the method 10 comprises in a first step 21 a determination of the one
  • Output voltage has.
  • this may be a power supply branch of the energy storage device 1, in which most of the energy storage modules 3 are deactivated due to defects or failures, or in which the
  • Energy storage modules 3 have reached on average the highest degree of aging. This power supply branch with the lowest possible maximum output voltage is driven to generate the phase voltage in normal operation.
  • the other two power supply branches are then controlled in step 22 so that their output voltage from the sum of a symmetrical Voltage component whose amount corresponds to the lowest possible maximum output voltage, and an asymmetrical voltage component whose magnitude of the difference of the amounts of the second smallest possible maximum output voltage

Abstract

The invention relates to an energy storage device (1) for producing a three-phase supply voltage, having three parallel-connected power supply branches that are each coupled between an output port (1a, 1b, 1c) and a reference-earth potential rail (4), wherein each of the power supply branches has a multiplicity of series-connected energy storage modules (3) that each comprise: an energy storage cell module (5), which has at least one energy storage cell (5a, 5n), and a coupling device (9) having coupling elements (7, 8) that are designed to connect the energy storage cell module (5) selectively to the respective power supply branch or to bypass it in the respective power supply branch. The energy storage device additionally comprises a control device (6) that is designed to determine the power supply branch having the lowest possible maximum output voltage; and to actuate the coupling devices (9) of the two remaining power supply branches such that the output voltage therefrom is formed from the sum of a symmetrical voltage component, the absolute value of which corresponds to the lowest possible maximum output voltage, and an asymmetrical voltage component, the absolute value of which corresponds to the difference between the absolute values of the second lowest possible maximum output voltage from the power supply branches and the lowest possible maximum output voltage, wherein the phase offset between the symmetrical voltage components of the two remaining power supply branches is 120° and the phase offset between the asymmetrical voltage components of the two remaining power supply branches is 60°.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Energiespeichereinrichtung, System mit Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung  Energy storage device, system with energy storage device and method for driving an energy storage device
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, ein System mit einer The invention relates to an energy storage device, a system with a
Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Energy storage device and a method for driving a
Energiespeichereinrichtung, insbesondere in einer Batteriedirektumrichterschaltung zur Stromversorgung elektrischer Maschinen.  Energy storage device, in particular in a Batterieiedirektumrichterschaltung for powering electrical machines.
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, wie 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 neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. Electric vehicles, increasingly electronic systems are used, which combine new energy storage technologies with electric drive technology.
Fig. 1 beispielsweise zeigt die Einspeisung von Drehstrom in eine dreiphasige elektrische Maschine 101 . Dabei wird über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule 105 in einer Traktionsbatterie 104 in Serie geschaltet. Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen. FIG. 1, for example, shows the supply of three-phase current to a three-phase electrical machine 101. In this case, a DC voltage provided by a DC voltage intermediate circuit 103 is converted into a three-phase AC voltage via a converter in the form of a pulse-controlled inverter 102. The DC intermediate circuit 103 is fed by a string 104 of serially connected battery modules 105. In order to meet the power and energy requirements of a particular application, multiple battery modules 105 are often connected in series in a traction battery 104. The series connection of several battery modules involves the problem that the entire string fails if a single battery module fails. Such a failure of the power supply string can lead to a failure of the entire system. Furthermore, temporarily or permanently occurring power reductions of a single battery module can lead to power reductions in the entire power supply line.
In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter In the document US 5,642,275 A1 a battery system with integrated
Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichspannungsquellen in mehreren Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert. Inverter function described. Systems of this type are under the name Multilevel Cascaded Inverter or Battery Direct Inverter (Battery Direct Inverter, BDI) known. Such systems include DC voltage sources in a plurality of energy storage module strings, which are directly connectable to an electrical machine or an 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, wherein each energy storage module has at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which makes it possible to interrupt the respective energy storage module string depending on control signals or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each associated with at least one battery cell in the respective energy storage module string to switch. By suitable control of the coupling units, for example by means of pulse width modulation, it is also possible to provide suitable phase signals for controlling the phase output voltage, so that a separate pulse inverter can be dispensed with. The required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated so to speak in the BDI.
BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere BDIs usually have higher efficiency and higher
Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen, wie in Fig. 1 gezeigt, auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können. Resiliency over conventional systems, as shown in Fig. 1, on. The reliability is ensured, inter alia, that defective, failed or not fully efficient battery cells can be switched out by suitable bridging control of the coupling units from the power supply lines.
Wenn defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen jedoch nicht mehr zur Spannungsversorgung des jeweiligen Energieversorgungsstrangs beitragen können bzw. sollen, richtet sich die im herkömmlichen Betrieb verfügbare However, if defective, failed or not fully efficient battery cells can no longer contribute to the power supply of the respective power supply line or should, which is available in conventional operation
Leistungsfähigkeit nach der geringsten der noch verbleibenden Maximalspannungen der Energieversorgungsstränge. Um weiterhin ein symmetrisches Drehfeld an den Performance after the least of the remaining maximum voltages of the power supply strands. To continue a symmetrical rotating field to the
Ausgängen des BDIs erzeugen zu können, müssen bisher die Ausgangsspannungen der einzelnen Energieversorgungsstränge auf die geringste Maximalspannung aller To be able to produce outputs of the BDI, so far the output voltages of the individual power supply lines to the lowest maximum voltage of all
Energieversorgungsstränge reduziert werden. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit und den verfügbaren Spannungsbereich des BDIs jedoch stark.  Power supply lines are reduced. However, this greatly affects the performance and available voltage range of the BDI.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft daher gemäß einem Aspekt eine The present invention therefore provides, in one aspect
Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer dreiphasigen Versorgungsspannung, mit drei parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energy storage device for generating a three-phase supply voltage, with three parallel-connected power supply branches, each between a Output terminal and a reference potential rail are coupled, wherein each of the power supply branches a plurality of series-connected
Energiespeichermodulen aufweist. Jedes der Energiespeichermodule umfasst 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 in dem jeweiligen Energieversorgungszweig zu umgehen. Die Having energy storage modules. Each of the energy storage modules comprises 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 the energy storage cell module into the respective energy supply branch or to bypass it in the respective energy supply branch. The
Energiespeichereinrichtung weist weiterhin eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist den Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung zu bestimmen, und die Koppeleinrichtungen der zwei übrigen Energieversorgungszweige so anzusteuern, dass deren Ausgangsspannung aus der Summe aus einem symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der Energy storage device further comprises a control device which is adapted to determine the power supply branch with the lowest possible maximum output voltage, and to control the coupling means of the two other power supply branches so that their output voltage from the sum of a symmetrical voltage component whose amount of
geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag maxiaml der Differenz der Beträge der corresponds to the maximum possible output voltage, and an asymmetrical voltage component, the amount of which maxiaml the difference of the amounts of
zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der Energieversorgungszweige und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist, wobei der Phasenversatz zwischen den symmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der der Phasenversatz zwischen den second phase of the maximum possible output voltage of the power supply branches and the lowest possible maximum output voltage is formed, wherein the phase offset between the symmetrical voltage components of the two remaining power supply branches 120 ° and the phase offset between the
asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 60° beträgt. asymmetric voltage components of the two remaining power supply branches is 60 °.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Aspekt ein System, mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine, drei Phasenleitungen, welche mit jeweils einem von drei Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine gekoppelt sind, und einer The present invention, according to another aspect, provides a system comprising a three-phase electrical machine, three phase lines coupled to one of each of three phase terminals of the electrical machine, and one
erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, wobei die Phasenleitungen mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse der Energiespeichereinrichtung gekoppelt sind. Energy storage device according to the invention, wherein the phase lines are coupled to one of the output terminals of the energy storage device.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer dreiphasigen In another aspect, the present invention provides a method for driving an energy storage device to generate a three-phase
Versorgungsspannung, welche drei parallel geschaltete Energieversorgungszweige, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss und eine Bezugspotentialschiene gekoppelt sind, zum Erzeugen einer jeweiligen Ausgangsspannung an jeweiligen der Ausgangsanschlüsse aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Ermitteins des Energieversorgungszweigs mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung, und des Ansteuerns der übrigen zwei Energieversorgungszweige, so dass deren A supply voltage having three parallel power supply branches, each coupled between an output terminal and a reference potential rail, for generating a respective output voltage at respective ones of the output terminals. The method comprises the steps of determining the power supply branch with the lowest possible maximum output voltage, and driving the remaining two power supply branches, so that their
Ausgangsspannung aus der Summe aus einem symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag maximal der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der Energieversorgungszweige und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist, wobei der Phasenversatz zwischen den symmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der der Phasenversatz zwischen den Output voltage from the sum of a symmetrical voltage component, the amount of which corresponds to the lowest possible maximum output voltage, and an asymmetrical voltage component whose amount is at most the difference of the amounts of second phase of the maximum possible output voltage of the power supply branches and the lowest possible maximum output voltage is formed, wherein the phase offset between the symmetrical voltage components of the two remaining power supply branches 120 ° and the phase offset between the
asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 60° beträgt. asymmetric voltage components of the two remaining power supply branches is 60 °.
Vorteile der Erfindung Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Batteriedirektumrichter für die Advantages of the Invention An idea of the present invention is to provide a battery direct converter for the
Spannungsversorgung einer dreiphasigen elektrischen Maschine einzusetzen, bei dem die Erzeugung der Phasenspannungen derart ausgeglichen wird, dass Unterschiede in den maximalen Ausgangsspannungen in den einzelnen Energieversorgungszweigen durch geschickte Ansteuerung der einzelnen Energieversorgungszweige ausgeglichen werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Ausgangsspannungen der einzelnen Energieversorgungszweige im Raumzeigerdiagramm in symmetrische und asymmetrische Spannungsanteile aufgeteilt werden, und die asymmetrischen  Use voltage supply of a three-phase electric machine, in which the generation of the phase voltages is compensated in such a way that differences in the maximum output voltages in the individual power supply branches are compensated by skillful control of the individual power supply branches. This can be achieved by dividing the output voltages of the individual power supply branches in the space vector diagram into symmetrical and asymmetrical voltage components, and the asymmetrical ones
Spannungsanteile der noch leistungsfähigeren Energieversorgungszweige in ihrem Phasenversatz zueinander angepasst werden, um die mangelnde Leistungsfähigkeit des übrigen Energieversorgungszweigs zumindest teilweise zu kompensieren. Voltage shares of even more powerful power supply branches are adjusted in phase offset to each other to compensate for the lack of performance of the rest of the energy supply branch at least partially.
Durch die Abhängigkeit der Differenzspannungen zwischen den Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige untereinander kann durch eine geeignete Ansteuerung der zwei Energieversorgungszweige mit höherer verbleibender Leistungsfähigkeit eine Versorgungsspannung mit entsprechender Phasenlage erzeugt werden, die eineBy the dependence of the differential voltages between the output voltages of the power supply branches with each other can be generated by a suitable control of the two power supply branches with higher remaining power a supply voltage with a corresponding phase position, the one
Sternpunktverschiebung am Sternpunkt einer angeschlossenen elektrischen Maschine bewirkt. Durch diese (virtuelle) Sternpunktverschiebung kann ein symmetrisches Drehfeld über einen größeren Spannungsbereich aufrechterhalten werden, als es durch den Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung eigentlich möglich wäre. Neutral point displacement at the star point of a connected electric machine causes. This (virtual) neutral shift allows a symmetrical rotating field to be maintained over a wider voltage range than would be possible with the lowest possible maximum output voltage through the power supply branch.
Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass bei abweichenden maximalen Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige die notwendige Leistungsreduktion des Gesamtsystems gegenüber einer Ansteuerung aller A considerable advantage of this procedure is that, in the case of deviating maximum output voltages of the energy supply branches, the necessary power reduction of the entire system compared to activation of all
Energieversorgungszweige, die von der jeweiligen Leistungsfähigkeit der anderen Energieversorgungszweige abhängig ist, geringer ausfällt. Dies stärkt die Energy supply branches, which depends on the respective performance of the other energy supply branches, is lower. This strengthens the
Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems auch bei ungleichmäßiger Entladung der Energiespeichermodule, unterschiedlichen Alterungseffekten der Energiespeichermodule sowie defekten oder ausgefallenen Energiespeichermodulen. Efficiency of the entire system even with uneven discharge of the Energy storage modules, different aging effects of the energy storage modules as well as defective or failed energy storage modules.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Energiespeichereinrichtung als Koppelelemente Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFET-Schalter, aufweisen. Es kann gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Koppelelemente in According to one embodiment, the energy storage device may have semiconductor switches, for example MOSFET switches, as coupling elements. It can be provided according to a further embodiment that the coupling elements in
Vollbrückenschaltung ausgestaltet sind. In einer alternativen Ausführungsform können die Koppelelemente in Halbbrückenschaltung ausgestaltet sein. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Full bridge circuit are configured. In an alternative embodiment, the coupling elements may be configured in half-bridge circuit. 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 Es zeigen: Brief description of the drawings In the drawings:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spannungsversorgungssystems für eine dreiphasige elektrische Maschine; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Fig. 1 is a schematic representation of a power supply system for a three-phase electric machine; Fig. 2 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. 3 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls in Fig. 3 is a schematic representation of an energy storage module in
Vollbrückenschaltung einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;  Full bridge circuit of an energy storage device of Figure 2 according to another embodiment of the invention.
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Energiespeichermoduls in 4 is a schematic representation of an energy storage module in FIG
Halbbrückenschaltung einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;  Half-bridge circuit of an energy storage device of Figure 2 according to another embodiment of the invention.
Fig. 5 eine schematische Illustration eines Raumzeigerdiagramms für Fig. 5 is a schematic illustration of a space vector diagram for
Spannungszeiger der Ausgangspannungen einer  Voltage pointer of the output voltages of a
Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;  Energy storage device according to another embodiment of the invention;
Fig. 6 eine schematische Illustration eines Raumzeigerdiagramms für modifizierte Fig. 6 is a schematic illustration of a space vector diagram for modified
Spannungszeiger der Ausgangspannungen einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und Voltage pointer of the output voltages of a Energy storage device according to another embodiment of the invention; and
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern einer Fig. 7 is a schematic representation of a method for driving a
Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.  Energy storage device according to another embodiment of the present invention.
Fig. 2 zeigt ein System 200 zur Spannungswandlung von Gleichspannung, die durch m Energiespeichermodule 3 bereitgestellt wird, in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 200 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in Fig. 2 drei Energieversorgungszweige gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss la, lb, lc, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen sind. Beispielhaft dient das System 200 in Fig. 2 zur Speisung einer elektrischen Maschine 2. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die 2 shows a system 200 for voltage conversion of DC voltage, which is provided by m energy storage modules 3, into an n-phase AC voltage. The system 200 includes an energy storage device 1 with energy storage modules 3, which are connected in series in power supply branches. By way of example, three energy supply branches are shown in FIG. 2, which are suitable for generating a three-phase alternating voltage, for example for a three-phase machine 2. 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 power supply branch via an output terminal la, lb, lc, which are respectively connected to phase lines 2a, 2b and 2c. By way of example, the system 200 in FIG. 2 serves to feed an electric machine 2. However, it can also be provided that the
Energiespeichereinrichtung 1 zur Bereitstellung von elektrischem Strom für ein Energy storage device 1 for providing electric power for a
Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. Power supply network 2 is used.
Das System 200 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die The system 200 may further include a controller 6, which is 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 la, lb, lc bereitzustellen. Output voltages to the respective output terminals la, lb, lc provide.
Die Energieversorgungszweige können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden werden, welches in der dargestellten Ausführungsform in Bezug auf die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c der elektrischen Maschine 2 ein mittleres Potential führt. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Jeder der Energieversorgungszweige weist mindestens zwei in Reihe geschaltete The power supply branches can be connected at their end to a reference potential 4 (reference rail) which, in the illustrated embodiment, has an average potential with respect to the phase lines 2a, 2b, 2c of the electric machine 2. The reference potential 4 may be, for example, a ground potential. Each of the power supply branches has at least two in series
Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig in Fig. 2 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Beispielhafter Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den Fig. 3 und 4 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Energy storage modules 3 on. By way of example, the number of energy storage modules 3 per power branch in FIG. 2 is three, but any other number of energy storage modules 3 is also possible. In this case, each of the energy supply branches preferably comprises the same number of energy storage modules 3, but it is also possible to provide a different number of energy storage modules 3 for each energy supply branch. 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. Exemplary construction forms of the energy storage modules 3 are shown in greater detail in FIGS. 3 and 4. The energy storage modules 3 each comprise one
Koppeleinrichtung 9 mit mehreren Koppelelementen 7 und 8. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a, 5n. Coupling device 9 with a plurality of coupling elements 7 and 8. The energy storage modules 3 each further comprise an energy storage cell module 5 with one or more series-connected energy storage cells 5a, 5n.
Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5n, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5n in dem in Fig. 3 gezeigten The energy storage cell module 5 may have, for example, serially connected batteries 5a to 5n, for example lithium-ion batteries. Here, the number of the energy storage cells 5a to 5n is as shown in FIG
Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energy storage module 3 exemplified two, but any other number of
Energiespeicherzellen 5a bis 5n ebenso möglich ist. Energy storage cells 5a to 5n is also possible.
Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit The energy storage cell modules 5 are connected via connecting lines
Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 9 verbunden. Die Input terminals of the associated coupling device 9 connected. The
Koppeleinrichtung 9 ist in Fig. 3 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Coupling device 9 is shown in Fig. 3 by way of example as a full bridge circuit with two each
Koppelelementen 7 und zwei Koppelelementen 8 ausgebildet. Die Koppelelemente 7 können dabei jeweils ein aktives Schaltelement 7a, beispielsweise einen Coupling elements 7 and two coupling elements 8 is formed. The coupling elements 7 can each have an active switching element 7a, for example a
Halbleiterschalter 7a, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode 7b aufweisen. In ähnlicher Weise können die Koppelelemente 8 dabei jeweils ein aktives Schaltelement 8a, beispielsweise einen Halbleiterschalter 8a, und eine dazu parallel geschaltete Semiconductor switch 7a, and have a parallel-connected freewheeling diode 7b. Similarly, the coupling elements 8 can each case an active switching element 8a, for example, a semiconductor switch 8a, and a parallel thereto
Freilaufdiode 8b aufweisen. Die Halbleiterschalter 7a und 8a können beispielsweiseHave freewheeling diode 8b. The semiconductor switches 7a and 8a may be, for example
Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden 7b und 8b auch jeweils in die Halbleiterschalter 7a und 8a integriert sein. Field effect transistors (FETs) have. In this case, the free-wheeling diodes 7b and 8b may also be integrated into the semiconductor switches 7a and 8a, respectively.
Die Koppelelemente 7 und 8 in Fig. 3 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 6 in Fig. 2, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das The coupling elements 7 and 8 in Fig. 3 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 6 in Fig. 2, that the energy storage cell module 5 is selectively connected between the output terminals 3a and 3b or that
Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt bzw. im Energieversorgungszweig umgangen wird. Beispielsweise kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement 8a rechts unten und das aktive Schaltelement 7a links oben in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Energy storage cell module 5 bridged or bypassed in the power supply branch. For example, the energy storage cell module 5 can be switched forwardly between the output terminals 3a and 3b by putting the active switching element 8a on the lower right and the active switching element 7a on the upper left in a closed state while the two remaining active ones
Schaltelemente in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein Überbrückungszustand bzw. Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, indem die beiden aktiven Schaltelemente 8a in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente 7a in offenem Zustand gehalten werden. Switching elements are placed in an open state. A bypass state can be set by, for example, setting the Both active switching elements 8a are placed in the closed state, while the two active switching elements 7a are kept in the open state.
Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 9 können daher einzelne By suitable activation of the coupling devices 9 can therefore individual
Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Energy storage cell modules 5 of the energy storage modules 3 targeted in the
Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs integriert werden. Series connection of a power supply branch can be integrated.
Fig. 4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in Fig. 4 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 9 zwei statt vier Koppelelemente 7, 8 aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in 4 shows a further exemplary embodiment of an energy storage module 3. The energy storage module 3 shown in FIG. 4 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 3 only in that the coupling device 9 has two instead of four coupling elements 7, 8 which are in a half-bridge circuit instead of in
Vollbrückenschaltung verschaltet sind. Full bridge circuit are interconnected.
In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente 7a und 8a bzw. die Koppelelemente 7 und 8 als 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. Mit den aktiven Schaltelementen 7a und 8a bzw. den Koppelelementen 7 und 8 kann die Ausgangsspannung jedes der Energieversorgungszweige über eine geeignete In the illustrated embodiments, the active switching elements 7a and 8a and the coupling elements 7 and 8 as a power semiconductor switch, for example in the form of IGBTs (insulated gate bipolar transistor), JFETs (junction field-effect transistor) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field -Effect transistor). With the active switching elements 7a and 8a and the coupling elements 7 and 8, the output voltage of each of the power supply branches via a suitable
Ansteuerung in Stufen von einem negativen Maximalwert bis hin zu einem positiven Maximalwert variiert werden. Die Abstufung der Spannungslevel ergibt sich hierbei in Abhängigkeit von der Stufung der einzelnen Energiespeicherzellenmodule 5. Um beispielsweise einen mittleren Spannungswert zwischen zwei durch die Stufung derControl in steps of a negative maximum value up to a positive maximum value can be varied. The gradation of the voltage level results in this case depending on the gradation of the individual energy storage cell modules 5. For example, a mean voltage value between two by the gradation of
Energiespeicherzellenmodule 5 vorgegebenen Spannungsstufen zu erhalten, können die Koppelelemente 7, 8 eines Energiespeichermoduls 3 getaktet angesteuert werden, beispielsweise in einer Pulsbreitenmodulation (PWM), so dass das betreffende Energy storage cell modules 5 to obtain predetermined voltage levels, the coupling elements 7, 8 of an energy storage module 3 can be controlled clocked, for example in a pulse width modulation (PWM), so that the relevant
Energiespeichermodul 3 im zeitlichen Mittel eine Modulspannung liefert, welche einen Wert zwischen Null und der durch die Energiespeicherzellen 5a bis 5n bestimmten, maximal möglichen Modulspannung aufweisen kann. Die Ansteuerung der Energy storage module 3 provides on average over time a module voltage which may have a value between zero and the maximum possible module voltage determined by the energy storage cells 5a to 5n. The activation of the
Koppelelemente 7, 8 kann dabei beispielsweise eine Steuereinrichtung 6 vornehmen, welche dazu ausgelegt ist, zum Beispiel eine Stromregelung mit einer untergelagerten Spannungssteuerung durchzuführen, so dass ein stufiges Zu- oder Abschalten von einzelnen Energiespeichermodulen 3 erfolgen kann. Coupling elements 7, 8 can, for example, make a control device 6, which is designed to perform, for example, a current control with a lower-voltage control, so that a gradual connection or disconnection of individual energy storage modules 3 can take place.
Durch den Einsatz einer derartigen Energiespeichereinrichtung 1 ist es möglich, eine n- phasige Versorgungsspannung, beispielsweise für eine elektrische Maschine 2 bereitzustellen. Dazu können Phasenleitungen 2a, 2b, 2c mit jeweiligen der 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 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 Drehfeldmaschine. Output terminals 1 a, 1 b, 1 c are connected, wherein the phase lines 2a, 2b, 2c in turn can be connected to phase terminals of the electric machine 2. For example, the electric machine 2 may be a three-phase electric machine, for example a three-phase rotary field machine.
Für eine dreiphasige elektrische Maschine 2 ist in Fig. 5 schematisch das For a three-phase electric machine 2 is in Fig. 5 schematically the
Raumzeigerdiagramm der drei Phasenspannungen u, v und w gezeigt, welche durch eine Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b, 1 c erzeugt werden. Dabei kann an einem ersten Ausgangsanschluss 1 a beispielsweise die Space vector diagram of the three phase voltages u, v and w shown, which are generated by an energy storage device 1 at the respective output terminals 1 a, 1 b, 1 c. In this case, at a first output terminal 1 a, for example, the
Phasenspannung u, an einem zweiten Ausgangsanschluss 1 b beispielsweise die Phase voltage u, at a second output terminal 1 b, for example, the
Phasenspannung v und an einem dritten Ausgangsanschluss 1 c beispielsweise die Phasenspannung w erzeugt werden. Die Phasenspannungen u, v und w, welche einen relativen Phasenversatz von 120° zueinander aufweisen, können beispielsweise über Phasenleitungen 2a, 2b, 2c in die Phasenanschlüsse der dreiphasigen elektrischen Maschine 2 eingespeist werden, um eine dreiphasige Spannungsversorgung der elektrischen Maschine 2 zu gewährleisten. Phase voltage v and at a third output terminal 1 c, for example, the phase voltage w are generated. The phase voltages u, v and w, which have a relative phase shift of 120 ° to one another, can be fed, for example via phase lines 2a, 2b, 2c in the phase terminals of the three-phase electric machine 2 to ensure a three-phase power supply of the electric machine 2.
Im Falle abweichender Maximalamplituden der Phasenspannungen u, v und w, beispielsweise bedingt durch ungleichmäßige Entladung der Energiespeichermodule 3 oder durch den Ausfall einzelner Energiespeichermodule 3, sind die Raumzeiger unterschiedlich lang. Wie beispielhaft in Fig. 5 gezeigt, ist der Raumzeiger u derjenige der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |u|, der Raumzeiger w derjenige der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |w| und der Raumzeiger v derjenige der höchstmöglichen maximalen Ausgangsspannung aller In the case of deviating maximum amplitudes of the phase voltages u, v and w, for example due to uneven discharge of the energy storage modules 3 or due to the failure of individual energy storage modules 3, the space vectors are of different lengths. As shown by way of example in Fig. 5, the space vector u is that of the lowest possible maximum output voltage | u |, the space vector w is that of the second smallest possible maximum output voltage | w | and the space vector v that of the highest possible maximum output voltage of all
Energieversorgungszweige. Für eine konventionelle Ansteuerung stünde in diesem Fall nun lediglich das Spannungsniveau |u| der geringstmöglichen maximalen  Energy supply branches. For a conventional control would be in this case now only the voltage level | u | the lowest possible maximum
Ausgangsspannung zur Verfügung, das heißt, alle Energieversorgungszweige müssten in ihrer Phasenspannung auf das Niveau des Energieversorgungszweigs mit der geringsten Leistungsfähigkeit gedrosselt werden, um ein symmetrisches Drehfeld für die Versorgung einer elektrischen Maschine 2 zu gewährleisten. Dadurch würde eine erhebliche Output voltage available, that is, all power supply branches would have to be throttled in their phase voltage to the level of the power supply branch with the lowest performance in order to ensure a symmetrical rotating field for the supply of an electric machine 2. This would be a significant
Leistungseinbuße in Kauf genommen werden müssen. Performance loss must be taken into account.
Für dreiphasige Spannungsversorgungssysteme, in denen der Sternpunkt nicht kontaktiert wird, ergibt sich nun jedoch, dass die Summe der drei Phasenströme zu jedem Zeitpunkt Null ist, das heißt, dass sich die Ströme, welche über die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c in die elektrische Maschine 2 hineinfließen, zu jedem Zeitpunkt des Betriebs mit jenen aufheben, welche über die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c hinausfließen. Dies führt dazu, dass sich bei dreiphasigen Systemen ein Phasenstrom als Beziehung zwischen den beiden anderen Phasenströmen ausdrücken lässt. Entsprechendes gilt auch für die paarweisen Differenzspannungen zwischen jeweils zwei der drei Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 2. Es ist daher möglich, eine dreiphasige Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine 2 nur unter Verwendung zweier Energieversorgungszweige in einer Energiespeichereinrichtung bereitzustellen. For three-phase power supply systems in which the neutral point is not contacted, however, it now follows that the sum of the three phase currents is zero at all times, that is to say that the currents which flow into the electrical machine via the phase lines 2a, 2b, 2c 2 flow in, at any time of operation cancel with those that flow beyond the phase lines 2a, 2b, 2c. this leads to In the case of three-phase systems, a phase current can be expressed as the relationship between the two other phase currents. The same applies to the pairwise differential voltages between each two of the three phase terminals of the electric machine 2. It is therefore possible to provide a three-phase supply voltage for an electric machine 2 only using two branches of energy supply in an energy storage device.
Wenn man nun eine virtuelle Sternpunktverschiebung der Ausgabespannungen aller Energieversorgungszweige in Richtung des Spannungsniveaus des If one now a virtual neutral shift of the output voltages of all power supply branches in the direction of the voltage level of
Energieversorgungszweigs mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung vornimmt, das heißt im Beispiel der Fig. 5 in Richtung der Phasenspannung u, kann man ein verschobenes Raumzeigersystem erhalten, welches bezüglich der Phasenspannung u wie ein zweiphasiges System betreibbar ist. Dazu kann wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wir der Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung bestimmt, im Falle der Fig. 5 der Energieversorgungszweig mit der Phasenspannung u. Schließlich werden die In the example of FIG. 5 in the direction of the phase voltage u, it is possible to obtain a shifted space vector system which is operable with respect to the phase voltage u as a two-phase system. For this purpose, the procedure can be as follows: First, we determined the power supply branch with the lowest possible maximum output voltage, in the case of FIG. 5 the power supply branch with the phase voltage u. Finally, the
Koppeleinrichtungen 9 der zwei übrigen Energieversorgungszweige so angesteuert, dass deren Ausgangsspannung aus der Summe eines symmetrischen Spannungsanteils us und eines asymmetrischen Spannungsanteils ua gebildet wird. Der symmetrische Coupling means 9 of the two other power supply branches so controlled that the output voltage of the sum of a symmetrical voltage component us and an asymmetric voltage component, among others, is formed. The symmetrical
Spannungsanteil us wird durch den Betrag |u| der Phasenspannung u der Voltage component us is determined by the value | u | the phase voltage u the
geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung definiert. Der asymmetrische lowest possible maximum output voltage defined. The asymmetric
Spannungsanteil ua hingegen entspricht dem Betrag der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |w| und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung |u|. Voltage component, inter alia, corresponds to the amount of the difference of the amounts of the second smallest possible maximum output voltage | w | and the lowest possible maximum output voltage | u |.
Die symmetrischen Spannungsanteile us der einzelnen Energieversorgungszweige folgen dem konventionellen Ansteuerungsverfahren und weisen daher jeweils paarweise einen Phasenversatz von 120° zueinander auf. Der Phasenversatz zwischen den The symmetrical voltage components us of the individual power supply branches follow the conventional drive method and therefore each have a pairwise phase offset of 120 ° to each other. The phase shift between the
asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei Energieversorgungszweige mit den jeweils höheren maximal möglichen Ausgangsspannungen beträgt jedoch 60°, um durch die Differenzspannung der asymmetrischen Spannungsanteile in der Phasenleitung des durch den Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen However, asymmetrical voltage components of the two power supply branches, each having the higher maximum possible output voltages, is 60 ° to pass through the differential voltage of the asymmetrical voltage components in the phase line of the power supply branch with the lowest possible maximum
Ausgangsspannung eine entsprechende symmetrische Gegenspannung aufzubauen. Durch die Wahl der Phasenversatzes von 60° für die asymmetrischen Spannungsanteile der zwei Energieversorgungszweige mit den jeweils höheren maximal möglichen Output voltage to build a corresponding symmetrical reverse voltage. By choosing the phase offset of 60 ° for the asymmetrical voltage components of the two power supply branches with the higher maximum possible
Ausgangsspannungen kann demgemäß die Phasenspannung des Output voltages can accordingly the phase voltage of the
Energieversorgungszweigs mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung über das eigentlich maximal mögliche Spannungsniveau |u| hinaus an der elektrischen Maschine 2 in Fig 2 erhöht werden. Mit anderen Worten können die leistungsfähigeren Energieversorgungszweige die mangelnde Leistungsfähigkeit des derzeit Power supply branch with the lowest possible maximum output voltage about the maximum possible voltage level | u | Be increased on the electric machine 2 in Figure 2. In other words, the more efficient power supply branches may be the lack of power of the present
leistungsschwächsten Energieversorgungszweigs zumindest teilweise kompensieren. At least partially compensate for the weakest energy supply branch.
Fig. 6 zeigt eine schematische Illustration eines Raumzeigerdiagramms mit Raumzeigern u, v' und w', die einer virtuellen Sternpunktverschiebung sv (Länge 58% des FIG. 6 shows a schematic illustration of a space vector diagram with space vectors u, v 'and w' corresponding to a virtual star point shift sv (length 58% of the
asymmetrischen Spannungsanteils) unterworfen sind. Wie sich ergibt, bilden die asymmetric voltage component) are subjected. As it turns out, form the
Raumzeiger u, v' und w' ein dreiphasiges Spannungsversorgungssystem, in dem ein dreiphasiges symmterisches Drehfeld mit verbessertem Spannungsniveau |u'| gegenüber dem Spannungsniveau |u| am Verbraucher erzeugt werden kann. Space vector u, v 'and w' a three-phase power supply system in which a three-phase symmetrical rotating field with improved voltage level | u '| opposite to the voltage level | u | can be generated at the consumer.
Die Raumzeiger u, v' und w' werden dabei gemäß (bei einem dreiphasigen System) den vorstehenden Erläuterungen nach folgenden mathematischen Zusammenhängen gebildet (exemplarisch für den in Fig. 5 dargestellten Fall): u = |u|*[1 0]T The space vectors u, v 'and w' are formed according to (in a three-phase system) the above explanations according to the following mathematical contexts (exemplary of the case shown in FIG. 5): u = | u | * [1 0] T
v' = |ur[-0,5 q]T + (|w|-|u|r[-q O,5]T v '= | ur [-0.5 q] T + (| w | - | u | r [-q O, 5] T
w' = |u|*[-0,5 -q]T + (|w|-|u|)*[-q -0,5]T, w '= | u | * [-0.5 -q] T + (| w | - | u |) * [-q -0.5] T ,
wobei q = 0,5*30,5 ist. Wie in Fig. 6 zu erkennen ist, beträgt der Gewinn an where q = 0.5 * 3 0.5 . As can be seen in Fig. 6, the gain is
Leistungsfähigkeit gegenüber einer herkömmlichen Ansteuerung 3"0,5 = 0,58 der Differenz |w|-|u| (asymmetrischer Spannungsanteil). Andere mathematische Lösungen sind selbstverständlich auch denkbar. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Ansteuern einerPerformance compared to a conventional control 3 "0.5 = 0.58 of the difference | w | - | u | (asymmetric voltage component) .Other mathematical solutions are, of course, also conceivable.Figure 7 shows a schematic representation of a method 20 for driving a
Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer Energiespeichereinrichtung 1 wie in Fig. 2 dargestellt, welche zum Erzeugen einer dreiphasigen Versorgungsspannung ausgelegt ist. Das Verfahren 10 umfasst in einem ersten Schritt 21 ein Ermitteln desjenigen Energy storage device, for example, an energy storage device 1 as shown in Fig. 2, which is designed to generate a three-phase supply voltage. The method 10 comprises in a first step 21 a determination of the one
Energieversorgungszweigs, der die derzeit geringstmöglichen maximalen Energy supply branch, which has the lowest possible maximum
Ausgangsspannung aufweist. Beispielsweise kann dies ein Energieversorgungszweig der Energiespeichereinrichtung 1 sein, in welchem die meisten der Energiespeichermodule 3 aufgrund von Defekten oder Ausfällen deaktiviert sind, oder in welchem die Output voltage has. For example, this may be a power supply branch of the energy storage device 1, in which most of the energy storage modules 3 are deactivated due to defects or failures, or in which the
Energiespeichermodule 3 im Schnitt den höchsten Alterungsgrad erreicht haben. Dieser Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung wird zur Erzeugung der Phasenspannung im üblichen Betrieb angesteuert. Energy storage modules 3 have reached on average the highest degree of aging. This power supply branch with the lowest possible maximum output voltage is driven to generate the phase voltage in normal operation.
Die übrigen beiden Energieversorgungszweige werden in Schritt 22 dann so angesteuert, dass deren Ausgangsspannung aus der Summe aus einem symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der The other two power supply branches are then controlled in step 22 so that their output voltage from the sum of a symmetrical Voltage component whose amount corresponds to the lowest possible maximum output voltage, and an asymmetrical voltage component whose magnitude of the difference of the amounts of the second smallest possible maximum output voltage
Energieversorgungszweige und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist. Dabei beträgt der Phasenversatz zwischen den symmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der Energy supply branches and the lowest possible maximum output voltage corresponds, is formed. In this case, the phase offset between the symmetrical voltage components of the two remaining power supply branches 120 ° and the
Phasenversatz zwischen den asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 60°. Phase offset between the asymmetrical voltage components of the two remaining power supply branches 60 °.

Claims

Ansprüche 1 . Energiespeichereinrichtung (1 ) zum Erzeugen einer dreiphasigen Claims 1. Energy storage device (1) for generating a three-phase
Versorgungsspannung, mit:  Supply voltage, with:
drei parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1 a, 1 b, 1 c) und eine Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen:  three parallel-connected power supply branches, each between an output terminal (1 a, 1 b, 1 c) and a reference potential rail (4) are coupled, each of the power supply branches having a plurality of series-connected energy storage modules (3), each comprising:
ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle an energy storage cell module (5), which at least one energy storage cell
(5a, 5n) aufweist, und (5a, 5n), and
eine Koppeleinrichtung (9) mit Koppelelementen (7, 8), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen  a coupling device (9) with coupling elements (7, 8), which are designed to selectively the energy storage cell module (5) in the respective
Energieversorgungszweig zu schalten oder in dem jeweiligen  Switch energy supply branch or in the respective
Energieversorgungszweig zu umgehen; und  Bypass energy supply branch; and
einer Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgelegt ist:  a control device (6) which is designed to:
den Energieversorgungszweig mit der geringstmöglichen maximalen  the power supply branch with the lowest possible maximum
Ausgangsspannung zu bestimmen; und  To determine output voltage; and
die Koppeleinrichtungen (9) der zwei übrigen Energieversorgungszweige so anzusteuern, dass deren Ausgangsspannung aus der Summe aus einem  to control the coupling devices (9) of the two remaining power supply branches so that their output voltage from the sum of a
symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag maximal der Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der Energieversorgungszweige und der  symmetrical voltage component whose magnitude corresponds to the lowest possible maximum output voltage, and an asymmetrical voltage component whose magnitude is at most equal to the difference between the amounts of the second smallest possible maximum output voltage of the power supply branches and the
geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist, wobei der Phasenversatz zwischen den symmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der der Phasenversatz zwischen den asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen  The phase offset between the symmetrical voltage components of the two remaining power supply branches 120 ° and the phase offset between the asymmetrical voltage components of the two remaining
Energieversorgungszweige 60° beträgt.  Energy supply branches is 60 °.
2. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Koppeleinrichtungen (9) Koppelelemente (7, 8) in Vollbrückenschaltung umfassen. Second energy storage device (1) according to claim 1, wherein the coupling means (9) coupling elements (7, 8) in full bridge circuit.
3. Energiespeichereinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Koppeleinrichtungen (9) Koppelelemente (7, 8) in Halbbrückenschaltung umfassen. 3. energy storage device (1) according to claim 1, wherein the coupling means (9) coupling elements (7, 8) comprise in half-bridge circuit.
4. System (20), mit: einer dreiphasigen elektrischen Maschine (2); 4. System (20), with: a three-phase electric machine (2);
drei Phasenleitungen (2a, 2b, 2c), welche mit jeweils einem von drei  three phase lines (2a, 2b, 2c), each with one of three
Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine (2) gekoppelt sind; und  Phase terminals of the electric machine (2) are coupled; and
einer Energiespeichereinrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phasenleitungen (2a, 2b, 2c) mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse (1 a, 1 b, 1 c) der Energiespeichereinrichtung (1 ) gekoppelt sind.  an energy storage device (1) according to one of the preceding claims, wherein the phase lines (2a, 2b, 2c) are each coupled to one of the output terminals (1 a, 1 b, 1 c) of the energy storage device (1).
5. Verfahren (20) zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung (1 ) zum Erzeugen einer dreiphasigen Versorgungsspannung, welche drei parallel geschaltete 5. A method (20) for driving an energy storage device (1) for generating a three-phase supply voltage, which three parallel connected
Energieversorgungszweige, welche jeweils zwischen einen Ausgangsanschluss (1 a, 1 b, 1 c) und eine Bezugspotentialschiene (4) gekoppelt sind, zum Erzeugen einer jeweiligen Ausgangsspannung an jeweiligen der Ausgangsanschlüsse (1 a, 1 b, 1 c) aufweist, mit den Schritten:  Power supply branches, each between an output terminal (1 a, 1 b, 1 c) and a reference potential rail (4) are coupled, for generating a respective output voltage at each of the output terminals (1 a, 1 b, 1 c), comprising the steps :
Ermitteln (21 ) des Energieversorgungszweigs mit der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung;  Determining (21) the power supply branch with the lowest possible maximum output voltage;
Ansteuern (22) der übrigen zwei Energieversorgungszweige, dass deren  Driving (22) of the remaining two power supply branches that their
Ausgangsspannung aus der Summe aus einem symmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, und einem asymmetrischen Spannungsanteil, dessen Betrag der maximalen Differenz der Beträge der zweitgeringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung der  Output voltage from the sum of a symmetrical voltage component, the amount of which corresponds to the lowest possible maximum output voltage, and an asymmetrical voltage component whose magnitude of the maximum difference of the amounts of the second smallest possible maximum output voltage
Energieversorgungszweige und der geringstmöglichen maximalen Ausgangsspannung entspricht, gebildet ist, wobei der Phasenversatz zwischen den symmetrischen  Energy supply branches and the lowest possible maximum output voltage is formed, wherein the phase offset between the symmetrical
Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 120° und der  Voltage components of the two remaining power supply branches 120 ° and the
Phasenversatz zwischen den asymmetrischen Spannungsanteilen der zwei übrigen Energieversorgungszweige 60° beträgt.  Phase offset between the asymmetrical voltage components of the two remaining power supply branches is 60 °.
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