DE102009046605A1

DE102009046605A1 - Energy transfer system for an energy storage system

Info

Publication number: DE102009046605A1
Application number: DE200910046605
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann; Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011057849A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragersystem (20) für ein Energiespeichersystem (10), insbesondere Batteriesystem, mit einer Mehrzahl von Gleichstromstellermodulen (22; 24; 26), die jeweils einen Gleichstromsteller (22, 24, 26) und/oder eine ausgangsseitige Serienschaltung mehrerer Gleichstromsteller (22, 24, 26; 50, 52, 54) mit je einem ersten und einem zweiten Modul-Ausgang (46, 48) aufweisen, wobei jeder der Gleichstromsteller (22, 24, 26; 50, 52, 54) einen ersten und einen zweiten Eingang (34, 36) zum Anschließen eines Energiespeichermoduls (12, 14, 16) des Energiespeichersystems (10) aufweist und die Gleichstromstellermodule (22; 24; 26) ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem entsprechenden Energieübertragersystem und ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeichersystem.The invention relates to an energy transfer system (20) for an energy storage system (10), in particular a battery system, with a plurality of DC chopper modules (22; 24; 26), each of which has a DC chopper (22, 24, 26) and / or a series connection of several direct current choppers on the output side (22, 24, 26; 50, 52, 54) each with a first and a second module output (46, 48), each of the DC choppers (22, 24, 26; 50, 52, 54) having a first and a has a second input (34, 36) for connecting an energy storage module (12, 14, 16) of the energy storage system (10) and the DC chopper modules (22; 24; 26) are connected in parallel on the output side. The invention further relates to an energy storage system with a corresponding energy transfer system and a motor vehicle with an energy storage system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieübertragersystem für ein Energiespeichersystem, insbesondere ein Batteriesystem, mit einer Mehrzahl von Gleichstromstellermodulen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem entsprechenden Energieübertragersystem und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeichersystem.The invention relates to an energy transfer system for an energy storage system, in particular a battery system, with a plurality of DC converter modules. The invention further relates to an energy storage system with a corresponding energy transfer system and a motor vehicle having such an energy storage system.

Stand der TechnikState of the art

Ein Energieübertragersystem für ein Energiespeichersystem ist z. B. aus Windkraftanlagen, Notstromsystemen, aber auch aus Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb bekannt. Bei derartigen Systemen ist ein Umsetzermodul mit mindestens einem Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) zwischen die Energiespeichermodule des Energiespeichersystems einerseits und einer als Elektromotor oder Generator ausgebildeten elektrischen Maschine andererseits zwischengeschaltet. Die Energiespeichermodule sind dabei als Batteriemodule mit wiederaufladbaren Batteriezellen ausgebildet.An energy transfer system for an energy storage system is z. B. from wind turbines, emergency power systems, but also known from vehicles with electric or hybrid drive. In such systems, a converter module with at least one DC-DC converter (DC / DC converter) between the energy storage modules of the energy storage system on the one hand and an electrical machine designed as an electric motor or alternator on the other hand interposed. The energy storage modules are designed as battery modules with rechargeable battery cells.

Es besteht ein wachsender Bedarf nach Energiespeichersystemen, welche in solchen stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen und Notstromsystemen oder aber in Fahrzeugen zum Einsatz kommen sollen. Alle diese Einsatzgebiete stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit des Energiespeichersystems. Der Grund hierfür ist, dass ein vollständiger Ausfall der Spannungsversorgung durch das Energiespeichersystem zu einem Ausfall eines Gesamtsystems führen kann. So werden bei Windkraftanlagen Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Rotorblätter verstellen und die Anlage so vor übermäßigen mechanischen Belastungen zu schützen, die die Windkraftanlage beschädigen oder sogar zerstören können. Im Falle des Ausfalls der Batterie(module) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges würde dieses fahruntüchtig werden. Ein Notstromsystem wiederum soll gerade den unterbrechungsfreien Betrieb – zum Beispiel in einem Krankenhaus – sicherstellen und daher selbst möglichst nicht ausfallen.There is a growing demand for energy storage systems to be used in such stationary applications as wind turbines and emergency power systems or in vehicles. All of these applications place high demands on the reliability and reliability of the energy storage system. The reason for this is that a complete failure of the power supply by the energy storage system can lead to failure of an entire system. In wind turbines, batteries are used to adjust the rotor blades in strong wind to protect the system from excessive mechanical stresses that can damage or even destroy the wind turbine. In the case of failure of the battery (module) of an electric or hybrid vehicle, this would become unserviceable. In turn, an emergency power system should ensure uninterrupted operation, for example in a hospital, and should therefore not fail as far as possible.

Um die für die jeweilige Anwendung geforderte Leistung und Versorgungsspannung zur Verfügung stellen zu können, werden einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Dabei wird z. B. eine Vielzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, um die beispielsweise in einem Pkw (Personenkraftwagen) für den Antriebsmotor erforderliche Betriebsspannung zu erreichen. Die Betriebsspannung kann durch ausgangsseitige Schalter von den folgenden, nicht dargestellten leistungselektronischen Bauelementen, wie Wechselrichtern abgekoppelt werden. Da der gesamte Ausgangsstrom des Energiespeichermoduls aufgrund der Serienschaltung der Batteriezellen in jeder der Batteriezellen fließt, bedeutet der Ausfall einer einzigen Batteriezelle im Extremfall, das gesamte Energiespeichersystem keinen Strom und damit keine elektrische Energie mehr bereitstellen kann. Um einen drohenden Ausfall einer Batteriezelle rechtzeitig erkennen zu können, wird gewöhnlich ein sog. Batterie-Managementsystem verwendet, welches mit beiden Polen jede der Batteriezellen verbunden ist und in regelmäßigen oder wählbaren Abständen Betriebsparameter wie Spannung und Temperatur jeder der Zellen und daraus deren Ladezustand (SoC:State of Charge und/oder SoH:State of Health) bestimmt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand bei gleichzeitig geringer Flexibilität der elektrischen Betriebsdaten des Energiespeichersystems.In order to be able to provide the power and supply voltage required for the respective application, individual battery cells are connected in series and sometimes additionally in parallel. This z. B. a plurality of battery cells connected in series to achieve the required for example in a car (passenger cars) for the drive motor operating voltage. The operating voltage can be decoupled by output-side switches from the following non-illustrated power electronic components, such as inverters. Since the entire output current of the energy storage module flows due to the series connection of the battery cells in each of the battery cells, the failure of a single battery cell in an extreme case, the entire energy storage system no electricity and thus can no longer provide electrical energy. In order to detect an imminent failure of a battery cell in time, usually a so-called. Battery management system is used, which is connected to both poles each of the battery cells and operating parameters such as voltage and temperature of each of the cells and their charge state at regular or selectable intervals (SoC : State of charge and / or SoH: State of Health). This means a lot of effort with low flexibility of the electrical operating data of the energy storage system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Energieübertragersystem den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass zum Einspeisen von elektrischer Energie eingangsseitig eine Vielzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils frei wählbarem Bezugspotential angeschlossen werden können, die jeweils eine bedeutend geringere Klemmspannung aufweisen als eine entsprechende Kombination aus Serien- und Parallelschaltung dieser Energiespeichermodule, wie sie sich aus der Verschaltung am Ausgang der Energiespeichermodule ergibt. Erfindungsgemäß weist das Energieübertragersystem eine Mehrzahl von Gleichstromstellermodulen (DC/DC-Umsetzermodulen) mit jeweils einem Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) und/oder einer ausgangsseitigen Serienschaltung mehrerer Gleichstromsteller und je einem ersten und einen zweiten Modul-Ausgang auf, wobei jeder der Gleichstromsteller einen ersten und einen zweiten Eingang zum Anschließen eines Energiespeichermoduls aufweist und die Gleichstromstellermodule ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Die ausgangsseitige Parallelschaltung der Gleichstromstellermodule erfolgt durch elektrisch leitende Verbindung der ersten Modul-Ausgänge untereinander und der zweiten Modul-Ausgänge untereinander.The energy transfer system according to the invention the features mentioned in claim 1 has the advantage that for input of electrical energy on the input side a plurality of energy storage modules can be connected with each freely selectable reference potential, each having a significantly lower clamping voltage than a corresponding combination of series and parallel circuit this Energy storage modules, as they result from the interconnection at the output of the energy storage modules. According to the invention, the energy transfer system has a plurality of DC converter modules (DC / DC converter modules) each having a DC / DC converter and / or an output-side series connection of a plurality of DC controllers and a first and a second module output, each of the DC controllers has a first and a second input for connecting an energy storage module and the DC actuator modules are connected in parallel on the output side. The output side parallel connection of the DC actuator modules takes place by electrically conductive connection of the first module outputs with each other and the second module outputs with each other.

Durch die sich ergebende geringe Klemmspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingang jedes der Gleichstromsteller liegt an keinem primärseitigen Anschluss eine Spannung an, die einen besonderen Umgang mit dem Energiespeicher beim Austausch einzelner Energiespeichermodule oder Energiespeicherzellen erforderlich machen würde. Indem die Ausgänge der Gleichstromstellermodule parallel geschaltet sind, sich ausgangsseitig ein gewünscht hoher Gesamtstrom als Summe der von den einzelnen Gleichstromstellermodulen erzeugten Ausgangsströmen. Durch die Serienschaltung der Gleichstromsteller innerhalb der Gleichstromstellermodule ergibt sich gleichzeitig ausgangsseitig eine vorwählbar hohe Gesamtspannung als Summe der von den einzelnen Gleichstromstellern erzeugten Ausgangsspannungen. Der Aufbau der Umsetzermodule erlaubt die Wahl einer je nach Betriebssituation geeigneten Gesamtspannung, da die Ausgangsspannung der einzelnen Gleichstromsteller nach bekannter Art eingestellt werden kann. Außerdem wird die Ausgangsspannung, unabhängig von der Zahl der primärseitig angeschlossenen Energiespeicherzellen. Dadurch kann die Auslegung des Energiespeichersystems rein nach Energie- und Leistungskriterien, unabhängig von der für die jeweilige Anwendung geforderten Gesamtspannung erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass teure Leistungsschalter (Schütze) zum Trennen des Energiespeichers von der Last und Zuschalten zu der Last entfallen können, weil die Hochspannung am Energiespeicherausgang durch Abschalten der Gleichstromsteller auf einfache Weise abgeschaltet werden kann. Die (Gesamt-)Spannung eines jeden der Energiespeichermodule liegt bevorzugt im Bereich 0.1 V ≤ X ≤ 120 V, besonders bevorzugt im Bereich 0.2 V ≤ X ≤ 50 V.Due to the resulting low clamping voltage between the first and the second input of each of the DC choppers, no voltage is applied to any primary-side connection which would require special handling of the energy store when exchanging individual energy storage modules or energy storage cells. By the outputs of the DC actuator modules are connected in parallel, the output side, a desired high total current as the sum of the output currents generated by the individual DC actuator modules. Due to the series connection of the DC-DC converter within the DC-controller modules, a preselectable high total voltage results at the same time on the output side as the sum the output voltages generated by the individual DC controllers. The construction of the converter modules allows the choice of a suitable total voltage depending on the operating situation, since the output voltage of each DC chopper can be set in a known manner. In addition, the output voltage, regardless of the number of primary side connected energy storage cells. As a result, the design of the energy storage system based purely on energy and performance criteria, regardless of the total voltage required for the particular application. Another advantage is that expensive circuit breakers (contactors) can be omitted for separating the energy storage of the load and connections to the load, because the high voltage can be switched off at the energy storage output by switching off the DC controller in a simple manner. The (total) voltage of each of the energy storage modules is preferably in the range 0.1 V ≦ X ≦ 120 V, particularly preferably in the range 0.2 V ≦ X ≦ 50 V.

Unter einem elektrischen Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher zu verstehen, dem entweder elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie beziehungsweise ein Akkumulator.Under an electrical energy storage in the context of the present invention is an energy storage to understand the either electrical energy can be removed or fed and removed. The electrical energy storage is designed as a charge storage and / or as a magnetic energy storage and / or electrochemical energy storage. An electrochemical energy store is in particular a rechargeable battery or an accumulator.

Unter einem Gleichstromsteller ist insbesondere ein bidirektionaler Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) zu verstehen.A DC chopper is to be understood in particular as a bidirectional DC chopper (DC / DC converter).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt mindestens einer der Gleichstromsteller über eine erste und eine zweite Spule, welche miteinander zu einem Leistungsübertrager und/oder Speichertransformator gekoppelt sind. Diese Ausführungsvariante der Gleichstromsteller ermöglicht eine galvanische Abkopplung der Ausgänge der Gleichstromsteller von deren Eingängen, so dass eine Serienschaltung der Ausgänge der Gleichstromsteller mit einer anschließenden Parallelschaltung der Ausgänge der Gleichstromstellermodule einfach kombinierbar ist.According to a preferred embodiment of the invention, at least one of the DC choppers has a first and a second coil, which are coupled together to form a power transformer and / or storage transformer. This variant of the DC-DC converter allows galvanic decoupling of the outputs of the DC-DC converter from their inputs, so that a series connection of the outputs of the DC-DC converter with a subsequent parallel connection of the outputs of DC-DC converter modules is easily combined.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleichstromsteller als Fly-Back-Konverter, als Forward-Konverter, Push-Pull-Konverter, Half-Bridge-Konverter und Full-Bridge-Konverter sowie als Resonanzwandler ausgeführt sein können. Die vorgenannten Konverter sind bekannte Gleichstromsteller.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the DC controllers can be designed as fly-back converters, as forward converters, push-pull converters, half-bridge converters and full-bridge converters, and as resonant converters. The aforementioned converters are known DC controllers.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Energieübertragers sind die ersten Eingänge oder die zweiten Eingänge jeweils eines Gleichstromstellers jedes der Gleichstromstellermodule mit Masse verbunden. Insbesondere sind die ersten Eingänge oder die zweiten Eingänge jedes Gleichstromstellers jedes der Gleichstromstellermodule mit Masse verbunden.In an advantageous embodiment of the energy exchanger according to the invention, the first inputs or the second inputs of a respective DC adjuster of each of the DC adjuster modules are connected to ground. In particular, the first inputs or the second inputs of each DC chopper of each of the DC chiller modules are connected to ground.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einer der Gleichstromsteller über eine Freilaufdiode verfügt, wobei jeweils eine Anode der Freilaufdiode mit einem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers und eine Kathode der Freilaufdiode mit einem ersten Ausgang des Gleichstromstellers elektrisch verbunden ist. Besonders bevorzugt verfügt jeder der Gleichstromsteller über eine Freilaufdiode.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that at least one of the DC-DC converter has a freewheeling diode, wherein in each case one anode of the freewheeling diode is electrically connected to a second output of the DC adjuster and a cathode of the freewheeling diode is electrically connected to a first output of the DC adjuster. Particularly preferably, each of the DC controllers has a freewheeling diode.

Alternativ oder zusätzlich verfügt mindestens einer der Gleichstromsteller über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal und ist ausgebildet, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin einen ersten Ausgang des Gleichstromstellers mit einem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers elektrisch zu verbinden. Insbesondere ist vorgesehen, dass jeder der Gleichstromsteller über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal verfügt und ausgebildet ist, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin den ersten Ausgang des Gleichstromstellers mit dem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers elektrisch zu verbinden.Alternatively or additionally, at least one of the DC controllers has a first control input for a first control signal and is designed to electrically connect a first output of the DC adjuster to a second output of the DC adjuster upon receipt of the first control signal. In particular, it is provided that each of the DC controllers has a first control input for a first control signal and is designed to electrically connect the first output of the DC adjuster to the second output of the DC adjuster upon receipt of the first control signal.

Bei einer Fortführung der beiden letztgenannten Ausführungsvarianten verfügt mindestens einer der Gleichstromsteller über einen zweiten Steuereingang für ein zweites Steuersignal und ist ausgebildet, auf den Empfang des zweiten Steuersignals hin eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers zu erhöhen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass jeder der Gleichstromsteller über einen derartigen Steuereingang verfügt. Somit ist es möglich, einer Senkung der Gesamtspannung eines Umsetzermoduls durch den bereits beschriebenen Ausfall bzw. die Abschaltung eines einzelnen Gleichstromstellers entgegenzuwirken, so dass weiterhin eine wenigstens näherungsweise unveränderte Gesamtspannung von der verringerten Anzahl an Gleichstromstellern innerhalb des Gleichstromstellermoduls bereitgestellt wird.In a continuation of the two last-mentioned embodiments, at least one of the DC controllers has a second control input for a second control signal and is designed to increase a voltage between the first and the second output of the DC adjuster upon receipt of the second control signal. It is preferably provided that each of the DC controllers has such a control input. Thus, it is possible to counteract a reduction in the total voltage of a converter module by the already described failure or the shutdown of a single DC adjuster, so that further provided at least approximately unchanged total voltage of the reduced number of DC-DC controllers within the Gleichstellstellermoduls.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem vorstehend genannten Energieübertragersystem. Es ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils einer Speicherzelle und einem ersten und einem zweiten Pol aufweist, wobei die Pole mit entsprechenden ersten und zweiten Eingängen eines der Gleichstromsteller des Energieübertragersystems elektrisch verbunden sind. Diese Verbindung ist vorzugsweise eine lösbare Verbindung. Die Speicherzellen der Energiespeichermodule sind vorzugsweise Batteriezellen von Batteriemodulen, die Pole entsprechend Batteriepole.The invention further relates to an energy storage system with an aforementioned energy transfer system. It is provided that the energy storage system comprises a plurality of energy storage modules each having a memory cell and a first and a second pole, wherein the poles are electrically connected to corresponding first and second inputs of the DC chopper of the energy transfer system. This compound is preferably a releasable connection. The memory cells of the energy storage modules are preferably battery cells of battery modules, the poles corresponding to battery poles.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem vorstehend genannten Energiespeichersystem. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem als Energiespeichersystem zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das Antriebssystem weist mindestens eine als Elektromotor und/oder Generator ausgebildete elektrische Maschine auf.The invention further relates to a motor vehicle with an energy storage system mentioned above. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the energy storage system is designed as an energy storage system for supplying an electric drive system of the motor vehicle. The drive system has at least one electrical machine designed as an electric motor and / or generator.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of exemplary embodiments. Show it:

1 ein Schaltbild eines erstes Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems mit Energieübertragersystem, 1 a circuit diagram of a first embodiment of an energy storage system with energy transfer system,

2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems mit Energieübertragersystem; und 2 a circuit diagram of a second embodiment of an energy storage system with energy transfer system; and

3 ein Schaltbild eines Gleichstromstellers mit Speichertransformator. 3 a circuit diagram of a DC actuator with storage transformer.

Die 1 zeigt ein Schaltbild eines als Batteriesystem ausgebildeten Energiespeichersystems 10 mit mehreren als wiederaufladbare Batteriemodule ausgebildeten elektrischen Energiespeichermodulen.The 1 shows a circuit diagram of a designed as a battery system energy storage system 10 with several formed as a rechargeable battery modules electrical energy storage modules.

Unter einem elektrischen Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher zu verstehen, dem elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Modulare Baueinheiten des Energiespeichers sind die elektrischen Energiespeichermodule.An electrical energy store in the sense of the present invention is to be understood as meaning an energy store to which electrical energy can be taken or can be supplied and removed. The electrical energy storage is designed as a charge storage and / or as a magnetic energy storage and / or electrochemical energy storage. Modular units of the energy storage are the electrical energy storage modules.

In 1 sind lediglich drei von mehreren Energiespeichermodulen 12, 14, 16 mit jeweils einer Speicherzelle 18 dargestellt. In realen Anwendungen kann die Zahl der Energiespeichermodule bzw. Batteriemodule deutlich höher liegen. Das Energiespeichersystem 10 weist weiterhin ein Energieübertragersystem 20 auf, das seinerseits eine Vielzahl von Gleichstromstellermodulen (DC/DC-Umsetzermodulen) 22, 24, 26 aufweist, wobei jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24, 26 jeweils einen Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) 28, 30, 32 aufweist. Jeder der Gleichstromsteller 22, 24, 26 weist einen ersten Eingang 34 und einen zweiten Eingang 36 auf. Jeder der ersten Eingänge 34 mit einem zugeordneten ersten Batteriepol 38 eines dem Gleichstromstellers 28, 30, 32 zugeordneten Energiespeichermoduls 12, 14, 16 und jeder zweite Eingang 36 eines der Gleichstromsteller 28, 30, 32 mit einem zweiten Pol 40 eines zugeordneten Energiespeichermoduls der Energiespeichermodule 12, 14, 16 lösbar elektrisch verbunden. Jeder der Gleichstromsteller 28, 30, 32 weist einen ersten Ausgang 42 und einen zweiten Ausgang 44 auf. Da jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24, 26 jeweils einen Gleichstromsteller 28, 30, 32 aufweist, entspricht der jeweilige erste Ausgang einem ersten Modul-Ausgang 46 und der jeweilige zweite Ausgang 44 einem zweiten Modul-Ausgang 48 des jeweiligen Gleichstromstellermoduls 22, 24, 26. Die Gleichstromstellermodule 22, 24, 26 sind durch Kurzschließen der jeweiligen ersten Modul-Ausgänge 46 untereinander und der zweiten Modul-Ausgänge 48 untereinander ausgangsseitig parallel geschaltet. An einem mit den ersten Ausgängen 42 elektrisch verbundenen ersten Ausgangskontakt (–) des Energieübertragungssystems 18 und an einen mit den zweiten Ausgängen 44 verbundenen zweiten Ausgangskontakt (+) ist ein nicht gezeigter Verbraucher, insbesondere eine elektrische Maschine anschließbar. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist jedes der Stellermodule 22, 24, 26 genau einen Gleichstromsteller 28, 30, 32 auf und jedes der Energiespeichermodule 12, 14, 16 ist mit einem seiner Pole 38, 40 mit Masse verbunden.In 1 are just three of several energy storage modules 12 . 14 . 16 each with a memory cell 18 shown. In real applications, the number of energy storage modules or battery modules can be significantly higher. The energy storage system 10 also has an energy transfer system 20 which, for its part, has a large number of DC-DC converter modules (DC / DC converter modules). 22 . 24 . 26 wherein each of the DC actuator modules 22 . 24 . 26 one DC chopper each (DC / DC converter) 28 . 30 . 32 having. Each of the DC controllers 22 . 24 . 26 has a first entrance 34 and a second entrance 36 on. Each of the first entrances 34 with an associated first battery pole 38 one of the DC adjuster 28 . 30 . 32 associated energy storage module 12 . 14 . 16 and every second entrance 36 one of the DC controllers 28 . 30 . 32 with a second pole 40 an associated energy storage module of the energy storage modules 12 . 14 . 16 releasably electrically connected. Each of the DC controllers 28 . 30 . 32 has a first exit 42 and a second exit 44 on. Because each of the DC actuator modules 22 . 24 . 26 each a DC-DC converter 28 . 30 . 32 , the respective first output corresponds to a first module output 46 and the respective second output 44 a second module output 48 of the respective DC actuator module 22 . 24 . 26 , The DC-controller modules 22 . 24 . 26 are by shorting the respective first module outputs 46 between each other and the second module outputs 48 connected to each other on the output side in parallel. At one with the first outputs 42 electrically connected first output contact (-) of the power transmission system 18 and to one with the second outputs 44 connected second output contact (+) is a not shown consumer, in particular an electrical machine connected. In the embodiment of 1 assigns each of the actuator modules 22 . 24 . 26 exactly one DC controller 28 . 30 . 32 on and each of the energy storage modules 12 . 14 . 16 is with one of his poles 38 . 40 connected to ground.

Die 2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Energiespeichersystems 10 mit Energieübertragersystem 20. Das in der 2 gezeigte Energiespeichersystem 10 entspricht im Wesentlichen dem Energiespeichersystem 10 der 1, so dass hier nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Das Energieübertragungssystem 20 der 2 weist zwei Gleichstromstellermodule 22, 24 auf, wobei jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24 jeweils drei Gleichstromsteller 28, 30, 32; 50, 52, 54 aufweist. Die drei Gleichstromsteller 28, 30, 32 des ersten Gleichstromstellermoduls 22 sind ausgangsseitig, also über ihre Ausgänge 42, 44, in Serie geschaltet und eingangsseitig jeweils mit einem zugeordneten Energiespeichermodul 12, 14, 16 elektrisch verbunden. Das zweite Gleichstromstellermodul 24 weist ebenfalls drei Gleichstromsteller 50, 52, 54 auf, die ausgangsseitig in Serie geschaltet sind und eingangsseitig jeweils mit einem zugeordneten Energiespeichermodul 56, 58, 60 elektrisch verbunden sind. Die ersten Modul-Ausgänge 46 und die zweiten Modul-Ausgänge 48 sind jeweils miteinander und mit einem ersten Ausgangskontakt (–) elektrisch verbunden. Die zweiten Modul-Ausgänge 48 sind untereinander und mit einem zweiten Ausgangskontakt (+) elektrisch verbunden.The 2 shows a circuit diagram of a second embodiment of the energy storage system 10 with energy transfer system 20 , That in the 2 shown energy storage system 10 essentially corresponds to the energy storage system 10 of the 1 so that only the differences are discussed here. The energy transfer system 20 of the 2 has two DC-DC converter modules 22 . 24 on, each of the DC actuator modules 22 . 24 three DC controllers each 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 having. The three DC controllers 28 . 30 . 32 of the first DC-DC actuator module 22 are on the output side, ie via their outputs 42 . 44 , in series and on the input side each with an associated energy storage module 12 . 14 . 16 electrically connected. The second DC-DC converter module 24 also has three DC controllers 50 . 52 . 54 on, the output side are connected in series and the input side each with an associated energy storage module 56 . 58 . 60 are electrically connected. The first module outputs 46 and the second module outputs 48 are each electrically connected to each other and to a first output contact (-). The second module outputs 48 are electrically connected to each other and to a second output contact (+).

Eine derartige Anordnung besitzt den Vorteil, dass primärseitig eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 12, 14, 16; 56, 58, 60 parallel geschaltet werden können, wobei an jedem der Gleichstromsteller 28, 30, 32, 50, 52, 54 jeweils eine bedeutend geringere Klemmspannung anliegt als bei eine Serienschaltung all dieser Energiespeichermodule 12, 14, 16, 56, 58, 60 an einem einzelnen leistungselektronischen Bauelement, wie einem Wechselrichter. Daher liegt an keinem primärseitigen Anschluss – also an keinem der ersten und der zweiten Eingänge 34, 36 der Gleichstromsteller 28, 30, 32; 50, 52, 54 – eine Spannung an, die einen besonderen Umgang mit dem (vorzugsweise als Batterie ausgebildeten) Energiespeicher beim Austausch von Energiespeichermodulen 12, 14, 16; 56, 58, 60 oder einzelner Speicherzellen 18 erforderlich machen würde. Indem die Ausgänge der Gleichstromsteller 28, 30, 32; 50, 52, 54 jedoch in Reihe geschaltet sind, ergibt sich – bezogen auf jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24 – eine gewünscht hohe Gesamtspannung als Summe der von den einzelnen Gleichstromstellern 28, 30, 32; 50, 52, 54 erzeugten Ausgangsspannungen. Durch die – auf das Energieübertragungssystem 20 bezogenen – ausgangsseitig parallel geschalteten Gleichstromstellermodule 22, 24 ergeben sich entsprechend hohe Ströme.Such an arrangement has the advantage that the primary side a plurality of energy storage modules 12 . 14 . 16 ; 56 . 58 . 60 can be connected in parallel, wherein at each of the DC chopper 28 . 30 . 32 . 50 . 52 . 54 in each case a significantly lower clamping voltage is applied than in a series connection of all these energy storage modules 12 . 14 . 16 . 56 . 58 . 60 on a single power electronic device, such as an inverter. Therefore, there is no primary-side connection - so none of the first and the second inputs 34 . 36 the DC-DC converter 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 - A voltage to a special handling of the (preferably designed as a battery) energy storage when replacing energy storage modules 12 . 14 . 16 ; 56 . 58 . 60 or individual memory cells 18 would require. By the outputs of the DC choppers 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 However, connected in series, results - based on each of the DC actuator modules 22 . 24 - A desired high total voltage as the sum of the individual DC actuators 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 generated output voltages. Through - on the power transmission system 20 referenced DC-DC converter modules connected in parallel on the output side 22 . 24 result in correspondingly high currents.

Die Ausgangsspannung ist somit unabhängig von der Zahl der primärseitig angeschlossenen Speicherzellen 18. Dadurch kann die Auslegung des Energiespeichersystems 10 rein nach Energie- und Leistungskriterien, unabhängig von der für die jeweilige Anwendung geforderten Gesamtspannung erfolgen. Die Gleichstromsteller 28, 30, 32, 50, 52, 54 sind bevorzugt als Fly-Back-Konverter, Forward-Konverter, Push-Pull-Konverter, Half-Bridge-Konverter, Full-Bridge-Konverter und/oder als Resonanzwandler ausgeführt.The output voltage is thus independent of the number of primary side connected memory cells 18 , This allows the design of the energy storage system 10 purely in accordance with energy and performance criteria, regardless of the total voltage required for the respective application. The DC chopper 28 . 30 . 32 . 50 . 52 . 54 are preferably designed as a fly-back converter, forward converter, push-pull converter, half-bridge converter, full-bridge converter and / or as a resonant converter.

3 zeigt ein Schaltbild eines Gleichstromstellers mit einem Speichertransformator 62. Eine Gleichspannungsquelle 64, welche im Falle der Erfindung einem Energiespeichermodul 12, 14, 16, 56, 58, 60 entspricht, wird über einen Schalter 66 periodisch mit einer Primärspule 68 des Speichertransformators 62 verbunden und wieder abgekoppelt. Wenn die Gleichspannungsquelle 64 mit der Primärspule 68 (erste Spule) verbunden ist, fließt ein Strom durch die Primärspule 68, welcher zum Aufbau eines Magnetfeldes im Speichertransformator 62 führt. Wenn der Schalter 66 wieder geöffnet wird, gibt das Magnetfeld die in ihm gespeicherte Energie über eine Sekundärspule 70 (zweite Spule) des Speichertransformators 62 ab. Der auf diese Weise erzeugte Ausgangsstrom lädt über eine Diode 72 einen Pufferkondensator 74 auf, welcher den durch die Taktung des Schalters 66 stoßartig fließenden Ausgangsstroms zwischenspeichert und glättet. An den ersten und den zweiten Ausgängen 42, 44 des Gleichstromstellers entsteht eine Ausgangsspannung, die außer von der Kapazität C des Pufferkondensators 74 auch von der Taktung des Schalters 66 abhängig ist. Der Gleichstromsteller weist eine zwischen dem ersten Ausgang 42 und dem zweiten Ausgang 44 eine in Sperrrichtung geschaltete Freilaufdiode 76 und einen zur Freilaufdiode 76 parallel geschalteten Schalter 78 auf. Der Schalter 78 ist ein über ein Steuersignal betätigbarer Schalter, wie zum Beispiel ein als Transistor ausgebildeter Schalter 78. Der Gleichstromsteller verfügt somit über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal (nicht gezeigt) und ist ausgebildet, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin den ersten Ausgang 42 des Gleichstromstellers 28, 30, 32; 50, 52, 54 mit dem zweiten Ausgang 44 des Gleichstromstellers 28, 30, 32; 50, 52, 54 elektrisch zu verbinden. 3 shows a circuit diagram of a DC adjuster with a storage transformer 62 , A DC voltage source 64 which in the case of the invention, an energy storage module 12 . 14 . 16 . 56 . 58 . 60 corresponds, is via a switch 66 periodically with a primary coil 68 of the memory transformer 62 connected and disconnected again. When the DC voltage source 64 with the primary coil 68 (first coil), a current flows through the primary coil 68 , which is used to build up a magnetic field in the storage transformer 62 leads. When the switch 66 is opened again, the magnetic field gives the energy stored in it via a secondary coil 70 (second coil) of the storage transformer 62 from. The output current generated in this way charges via a diode 72 a buffer capacitor 74 on, which by the clocking of the switch 66 jerky flowing output stream caches and smoothes. At the first and second outputs 42 . 44 the DC adjuster produces an output voltage other than the capacitance C of the buffer capacitor 74 also from the timing of the switch 66 is dependent. The DC-DC controller has one between the first output 42 and the second exit 44 a reverse freewheeling diode 76 and one to the freewheeling diode 76 parallel switch 78 on. The desk 78 is a switch operable by a control signal, such as a transistorized switch 78 , The DC-DC controller thus has a first control input for a first control signal (not shown) and is designed to receive the first output upon receipt of the first control signal 42 of the DC actuator 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 with the second exit 44 of the DC actuator 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 electrically connect.

Bekannte Gleichstromsteller verfügen über einen Kontroller, der die Taktung des Schalters 66 an die Betriebssituation anpasst. Auch ist es üblich, dass eine Rückkopplung vorgesehen ist, bei der die an den Ausgängen 42, 44 anliegende Ausgangsspannung bestimmt und zur Anpassung der Taktung des Schalters 66 verwendet wird, so dass sich eine möglichst stabile Ausgangsspannung ergibt. Im Rahmen der Erfindung erlauben diese Eigenschaften von Gleichstromstellern die Einstellung einer je nach Betriebssituation gewünschten Gesamtspannung des Energiespeichersystems 10 oder auch das Abschalten eines oder aller Gleichstromsteller 28, 30, 32, 50, 52, 54.Known DC regulators have a controller that controls the timing of the switch 66 adapted to the operating situation. It is also common for feedback to be provided at the outputs 42 . 44 applied output voltage and to adjust the timing of the switch 66 is used, so that there is a stable output voltage as possible. In the context of the invention, these properties of DC actuators allow the setting of a desired total voltage of the energy storage system depending on the operating situation 10 or switching off one or all DC controllers 28 . 30 . 32 . 50 . 52 . 54 ,

Ein wichtiger Vorteil der in 3 abgebildeten Ausführungsform des Gleichstromstellers ist die galvanische Entkopplung der Eingangsspannung der Gleichspannungsquelle 64 (bzw. des Energiespeichermoduls 12, 14, 16; 56, 58, 60) von der Ausgangsspannung an den Ausgängen 42, 44, welche die Serienschaltung der Ausgänge der Gleichstromsteller ermöglichen. Auch andere bekannte Gleichstromsteller, die diesen Vorteil bieten, sind für die Realisierung der Erfindung geeignet.An important advantage of in 3 illustrated embodiment of the DC adjuster is the galvanic decoupling of the input voltage of the DC voltage source 64 (or the energy storage module 12 . 14 . 16 ; 56 . 58 . 60 ) from the output voltage at the outputs 42 . 44 , which allow the series connection of the outputs of the DC chopper. Other known DC regulators which offer this advantage are also suitable for implementing the invention.

Claims

Energy transfer system ( 20 ) for an energy storage system ( 10 ), in particular battery system, with a plurality of DC-controller modules ( 22 ; 24 ; 26 ), each one DC-DC converter ( 22 . 24 . 26 ) and / or an output-side series connection of a plurality of DC controllers ( 22 . 24 . 26 ; 50 . 52 . 54 ) each having a first and a second module output ( 46 . 48 ), each of the DC choppers ( 22 . 24 . 26 ; 50 . 52 . 54 ) a first and a second input ( 34 . 36 ) for connecting an energy storage module ( 12 . 14 . 16 ) of the energy storage system ( 10 ) and the DC actuator modules ( 22 ; 24 ; 26 ) are connected in parallel on the output side.

An energy transfer system according to claim 1, characterized in that at least one of the DC choppers ( 22 . 24 . 26 . 50 . 52 . 54 ) via a first coil ( 68 ) and a second coil ( 70 ), which together to form a power transformer and / or storage transformer ( 62 ) are coupled.

Energy transfer system according to one of the preceding claims, characterized in that the DC controllers are designed as fly-back converter, forward converter, push-pull converter, half-bridge converter, full-bridge converter and / or as a resonant converter.

Energy transmission system according to one of the preceding claims, characterized in that the first input ( 34 ) or the second input ( 36 ) at least one DC-DC actuator ( 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 ) of the DC actuator module ( 22 . 24 . 26 ) is connected to mass (M).

Energy transmission system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the DC-DC converter ( 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 ) via a freewheeling diode ( 78 ), wherein in each case one anode of the freewheeling diode ( 78 ) with a second output ( 44 ) of the DC adjuster ( 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 ) and a cathode of the freewheeling diode ( 78 ) with a first output ( 42 ) of the DC adjuster is electrically connected.

Energy transfer system according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the DC choppers has a first control input for a first control signal and is formed, upon receipt of the first control signal out the first output ( 42 ) of the DC adjuster ( 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 ) with the second output ( 44 ) of the DC adjuster ( 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 ) electrically connect.

Energy transfer system according to one of claims 5 or 6, characterized in that at least one of the DC choppers ( 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 ) has a second control input for a second control signal and is designed, upon receipt of the second control signal, a voltage between the first and the second output ( 42 . 44 ) of the DC adjuster.

Energy storage system with an energy transfer system according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of energy storage modules ( 12 . 14 . 16 . 56 . 58 . 60 ) each having at least one memory cell ( 18 ) and a first and a second pole ( 38 . 40 ), where the poles ( 38 . 40 ) with corresponding first and second inputs ( 34 . 36 ) of one of the DC-DC controllers ( 28 . 30 . 32 ; 50 . 52 . 54 ) of the energy transfer system ( 20 ) are releasably connected electrically.

Motor vehicle with an energy storage system ( 10 ) according to claim 8.

Motor vehicle according to claim 9, characterized in that the energy storage system ( 10 ) is designed as an energy storage system for supplying an electric drive system of the motor vehicle.