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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladezustandsausgleich sowie ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich.
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Zur Energieversorgung von elektrischen Komponenten sind in der Regel elektrische Energiespeicher bzw. Leistungsspeicher vorgesehen. Solche Energie- bzw. Leistungsspeicher können beispielsweise Batteriezellen, welche eine elektrische Batteriezellenspannung bereitstellen, oder Kondensatoren sein. Um eine gewünschte elektrische Spannungshöhe zu erreichen, werden die Batteriezellen üblicherweise zu Batterie-Stacks verschaltet. In Niedervolt-Anwendungen sind in der Regel Spannungshöhen kleiner als 60 Volt vorgesehen, in Hochvolt-Anwendungen sind in der Regel Spannungshöhen größer als 60 Volt, insbesondere größer als 100 Volt vorgesehen. Energiespeicher in Hochvolt-Anwendungen können beispielsweise dazu vorgesehen sein, elektrische Maschinen, beispielsweise Elektromotoren in Kraftfahrzeugen, mit Energie zu versorgen.
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Insbesondere für Hochvolt-Anwendungen reicht die Spannung einzelner Batterie-Stacks in der Regel nicht aus. Zum Erreichen einer höheren Spannung, insbesondere einer Hochvolt-Spannung, kann es vorgesehen sein, dass mehrere Batterie-Stacks zur Versorgung einer elektrischen Komponente, beispielsweise eines Elektromotors, dienen. Üblicherweise werden dazu mehrere Batterie-Stacks in Reihe zu einem Batteriesystem verschaltet, an welches eine zu versorgende elektrische Komponente angeschlossen wird. Somit steht der elektrischen Komponente die Summe der Spannungen an den einzelnen Batterie-Stacks zur Verfügung.
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Die Batterie-Stacks können aufgrund von möglichen unterschiedlichen Alterungserscheinungen, Fertigungstoleranzen und Belastungsprofilen oder sogar verschiedener Batteriezellchemien voneinander abweichende Ladezustände und unterschiedliche Impedanzen aufweisen. Dies führt dazu, dass die in Reihe verschalteten Batterie-Stacks im Betrieb unterschiedlich entladen und geladen werden und dabei kritische Ladezustände einnehmen können. Die unterschiedlichen Ladezustände werden in der Regel mit sogenannten Ladezustandsausgleichsverfahren, oder auch Balancing-Verfahren, ausgeglichen. Ohne eine geeignete Balancierung ist eine lebensdauerschonende und vollständige Nutzung der gesamten installierten Batterieenergie nicht möglich oder es wäre eine Betriebsstrategie in Kauf zu nehmen, die einen möglichen Betriebsbereich des Batteriesystems einschränken würde.
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Im Stand der Technik werden derzeit hauptsächlich sogenannte dissipative Balancing-Verfahren angewandt. Dabei wird dasjenige Batterie-Stack bzw. diejenige Batteriezelle entladen, dessen bzw. deren Ladezustand am höchsten ist, indem die Ladeenergie dieses Batterie-Stacks bzw. dieser Batteriezelle durch einen parallel geschalteten Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Die überschüssige Energie des stärker geladenen Batterie-Stacks bzw. Batteriezelle wird also über Verluste in ohmschen Balancierungswiderständen reduziert. Dieses Balancing-Verfahren wird in der Regel durch ein Batteriemanagementsystem überwacht.
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Diese dissipativen Verfahren sind in der Regel energieineffizient und weisen durch die aufwändige Überwachung durch das Batteriemanagementsystem hohe Kosten auf. Als nachteilig wirkt sich außerdem aus, dass durch das gezielte Entladen der Zellen über ohmsche Widerstände eine Abwärme entsteht, welche nicht in allen Betriebspunkten effizient nutzbar ist. Weiterhin ist dies teilweise nicht in jedem Betriebszustand möglich.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine energieeffiziente und kostengünstige Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich zu realisieren, mit welcher eine lebensdauerschonende und effektive Nutzung des Batteriesystems erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Ladezustandsausgleich. Insbesondere dient die Vorrichtung zur gezielten Kontrolle des Ladungszustands. Die Vorrichtung umfasst zumindest zwei Energiespeichermodule, wobei an jedem der Energiespeichermodule eine Energiespeichermodulspannung anliegt, zumindest zwei Spannungswandlungsmodule, wobei jeweils ein Spannungswandlungsmodul mit jeweils einem der Energiespeichermodule elektrisch zu jeweils einem Submodul verbunden ist, eine elektrische Maschine, welche mit den zumindest zwei Submodulen elektrisch verbunden ist, und eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Energiefluss zwischen zumindest einem der Submodule und der elektrischen Maschine zu steuern.
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Mit anderen Worten bedeutet dies, dass jeweils ein Energiespeichermodul bzw. ein Leistungsspeichermodul, beispielsweise ein Batterie-Stack und/oder ein Kondensator, mit jeweils einem Spannungswandlungsmodul zu einem Submodul verbunden ist. In jedem Submodul stellt das Energiespeichermodul eine Energiespeichermodulspannung bereit, welche an dem angeschlossenen Spannungswandlungsmodul anliegt. Jedes Submodul bildet also eine separate modulare Spannungsversorgungsvorrichtung. An die zumindest zwei Submodule wird eine einzige elektrische Maschine, beispielsweise ein Elektromotor, angeschlossen. Dabei kann die elektrische Maschine mehrere unabhängige Wicklungen aufweisen, die mit den jeweiligen Submodulen verbunden sind.
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Die Steuereinrichtung steuert nun den Energiefluss, insbesondere die Richtung des Energieflusses, zwischen zumindest einem der Submodule und der elektrischen Maschine bzw. einer Wicklung der elektrischen Maschine. So kann es vorgesehen sein, dass der elektrischen Maschine bzw. der Wicklung der elektrischen Maschine in einem Motorbetrieb Energie bzw. Leistung zugeführt wird, welche durch eines oder mehrere der Energiespeichermodule der einzelnen Submodule bereitgestellt wird. Es erfolgt also ein Energiefluss von zumindest einem der angeschlossenen Submodule zur elektrischen Maschine bzw. zur Wicklung. In einem Generatorbetrieb stellt die elektrische Maschine bzw. Wicklung Energie bzw. Leistung zur Verfügung, welche einem oder mehreren der Energiespeichermodule zum Laden des Energiespeichermoduls zugeführt wird. Somit erfolgt also ein Energiefluss von der elektrischen Maschine bzw. der Wicklung der elektrischen Maschine zu zumindest einem der Submodule. Dadurch dass die Steuereinrichtung die Leistungsflüsse überwacht, steuert und synchronisiert, können die verschiedenen Batterie-Stacks mit den dazugehörigen Spannungswandlungsmodulen leistungsmäßig unterschiedlich betrieben werden- sowohl motorisch als auch generatorisch. Insbesondere können die Energiespeichermodule unterschiedlich ausgeführt sein, d.h. es kann sich um unterschiedliche Energiespeichermodule handeln, die je nach ihren Eigenschaften betrieben werden können. Somit kann beispielsweise ein Energiespeichermodul durch ein anderes Energiespeichermodul mit weitgehend anderen Eigenschaften und/oder einem anderen Aufbau ersetzt werden, solange bestimmte Systemparameter, beispielsweise Spannung oder auch andere sicherheitsrelevante Systemparameter, beibehalten werden. Die Vorrichtung kann somit besonders flexibel gestaltet werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Vorrichtung eingesetzt werden kann, Leistungsspeicher, beispielsweise Kondensatoren, durch eine gleichmäßige Verteilung der Energie vor einer Überspannung und somit vor einer Zerstörung zu schützen. Zusätzlich wird durch den Aufbau die Systemzuverlässigkeit erhöht. Dadurch, dass redundante Stränge in Form der Submodule ausgeführt sind, ist das Gesamtsystem weiterhin funktionsfähig, auch wenn ein Submodul ausfällt. Dies ist bei heutigen Systemen, bei welchen die Zellen in Reihe geschaltet sind, nicht der Fall, da im Falle eines Zellausfalls das Gesamtsystem funktionsunfähig wird.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, zumindest eines der Submodule und/oder die elektrische Maschine derart anzusteuern, dass der elektrische Energiefluss von einem ersten der zumindest zwei Energiespeichermodule zu der elektrischen Maschine und von der elektrischen Maschine zu einem zweiten der zumindest zwei Energiespeichermodule führt. Der Energiefluss kann auch von einem ersten der zumindest zwei Energiespeichermodule zu einer Wicklung der elektrischen Maschine und von der Wicklung der elektrischen Maschine zu einem zweiten der zumindest zwei Energiespeichermodule führen. Die elektrische Maschine bzw. zumindest eine Wicklung kann also einem Energiespeichermodul Leistung entnehmen und diese Leistung oder einen Teil dieser Leistung einem anderen Energiespeichermodul zuführen. Für diese Leistungsflusssynchronisation kann die Steuereinrichtung, beispielsweise eine Submodulsteuerung, softwareseitig derart angepasst sein, dass beim Balancieren die von einem Submodul abgegebene Leistung von einem anderen Submodul zumindest teilweise aufgenommen wird. Diese Leistungsübertragung von einem Batterie-Stack in ein anderes Batterie-Stack erfolgt mit einem besonders hohen Wirkungsgrad, da die überschüssige Energie eines Batterie-Stacks nicht in Verlustwärme über ohmsche Balancierungswiderstände umgewandelt wird, sondern einem anderen Batterie-Stack als Leistung zugeführt wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine zumindest zwei autarke Drehstromwicklungen umfasst und dass jeweils eine der zumindest zwei Drehstromwicklungen elektrisch mit einem der zumindest zwei Submodule verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die elektrische Maschine als Drehstrommotor ausgeführt. Der Drehstrommotor wird derart mit Energie versorgt, dass jede seiner autarken, also galvanisch voneinander getrennten Drehstromwicklungen mit jeweils einem Submodul verbunden ist. Jeder Drehstromwicklung wird also die Energie zugeführt, welche das Energiespeichermodul des angeschlossenen Submoduls bereitstellt. Somit können beispielsweise Drehstrommotoren in Hochvolt-Anwendungen mit Energie versorgt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zumindest eines der Submodule und/oder die elektrische Maschine derart anzusteuern, dass der elektrische Energiefluss zumindest teilweise von dem ersten der Submodule über eine erste der zumindest zwei Drehstromwicklungen, von der ersten Drehstromwicklung zu einer zweiten der zumindest zwei Drehstromwicklungen und von der zweiten Drehstromwicklung zu dem zweiten Submodul führt. Die elektrische Maschine wird hier als Drehstromtransformator genutzt. Hierzu ist kein zusätzliches Batteriebalancingsystem notwendig. Dazu kann über eine Drehstromwicklung des Motors Energie in den Motor aus dem einen Energiespeichermodul eingespeist und die gleiche oder Energiemenge über eine andere Drehstromwicklung des gleichen Motors in das zweite Energiespeichermodul abgeführt werden – ohne eine galvanische Verbindung zwischen den betroffenen Energiespeichermodulen. Effektiv wird dadurch die elektrische Energie nicht in eine mechanische Energieform umgewandelt, sondern der Ladezustand zwischen zwei Batterie-Stacks ausgeglichen, ohne dass dazu eine zusätzliche Schaltung verwendet werden muss. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass nur eine Teilenergiemenge der von dem ersten Energiespeichermodul entnommenen Energie in das zweite Energiespeichermodul zurückgeführt wird. Die verbleibende Energie kann dann weiterhin für einen Motorbetrieb des Drehstrommotors zur Verfügung stehen. Durch das inhärente Energiespeichermodul-Balancing über die Motorwicklungen, welches auch bei Motoren mit mehr als zwei autarken Drehstromwicklungen umsetzbar ist, reduzieren sich außerdem die Energiemanagementsystem-Kosten.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den elektrischen Energiefluss derart zu steuern, dass die elektrische Maschine elektrische Energie aus einem Energiespeichermodul mit einem ersten Energiespeichermodulladezustand entnimmt oder zuführt und einem Energiespeichermodul mit einem gegenüber dem ersten Batteriemodulladezustand verschiedenen zweiten Batteriemodulladezustand entsprechend einer vorbestimmten Betriebsstrategie zuführt oder entnimmt. Die Steuereinrichtung kann also den Energiefluss beispielsweise derart steuern, dass beim Balancing der Energiefluss von einem stärker geladenen Energiespeichermodul zu einem schwächer geladenen Energiespeichermodul führt, sodass die Ladezustände ausgeglichen werden. Die Richtung des Energieflusses kann beispielsweise über eine vorbestimmte Betriebsstrategie vorgegeben werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Schalteinrichtung, die zwischen den zwei Energiespeichermodulen zum elektrischen Verbinden der Energiespeichermodule und/oder zum galvanischen Trennen der Energiespeichermodule angeordnet ist. Durch eine elektrische Verbindung mittels der Schalteinrichtung wird eine serielle Verschaltung der Energiespeichermodule zu einem Batteriesystem ermöglicht. Die Energiespeichermodule und damit die Submodule, können mittels der Schalteinrichtung aber auch galvanisch voneinander getrennt werden, falls unerwünschte elektrische Störeinkopplungen zwischen den Submodulen auftreten sollten. Dadurch dass die einzelnen Energiespeichermodule im Betrieb galvanisch voneinander getrennt werden können, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung räumlich besonders flexibel angeordnet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Heizeinrichtung umfasst, welche dazu ausgelegt ist, eine bei dem Energiefluss zwischen den zumindest zwei Submodulen abfallende Verlustleistung als Heizleistung bereitzustellen. Dieser Sonderfall des Betriebs produziert bewusst Verlustleistung in Form von Abwärme, indem die Leistung in einzelne Submodule eingespeist wird und von anderen Submodulen in ähnlicher Höhe entnommen wird. Diese Verlustleistung wird einer Heizeinrichtung zugeführt. Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet, wobei die Submodule beispielsweise einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgen, so kann die der Heizeinrichtung zugeführte Verlustleistung als Heizenergie beispielsweise zur Erwärmung des Batteriesystems oder eines Innenraums des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, zumindest eines der Submodule und/oder die elektrische Maschine derart anzusteuern, dass eine Menge an elektrischer Energie zum Antreiben der elektrischen Maschine, welche am Energiespeichermodul mit einem ersten Energiespeichermodulladezustand entnommen wird, größer ist als die, welche einem Energiespeichermodul mit einem gegenüber dem ersten Energiespeichermodulladezustand kleineren zweiten Energiespeichermodulladezustand entnommen wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die einzelnen Energiespeichermodule in Kombination mit den zugehörigen Spannungswandlungsmodulen leistungsmäßig unterschiedlich betrieben werden. Dies kann unter anderem zur Angleichung verschiedener Ladezustände dienen. Es kann aber auch dazu dienen, die Betriebsbedingungen an verschiedene Lade- und Alterungszustände anzupassen, um den momentanen Leistungsfluss, aber auch das Alterungsverhalten des Batteriesystems zu optimieren. Weiterhin kann so die volle Speicherkapazität aller individuellen Energiespeichermodule ausgenutzt werden.
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Gemäß der Betriebsstrategie kann ebenso eine z.B. motorische Lastanforderung bewusst ungleich auf verschiedene Submodule verteilt werden, um diese Submodule im Ladezustand oder Alterungszustand anzugleichen, oder bewusst ungleich zu belasten, entsprechend einer Betriebsstrategie oder Ihren maximalen Leistungsdaten oder Ihrem Alterungszustand oder anderer Parameter. Das Gleiche ist analog für die Ladung verschiedener Submodule anwendbar.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, zumindest eines der Submodule und/oder die elektrische Maschine derart anzusteuern, dass eine Menge an elektrischer Energie, die der elektrischen Maschine entnommen wird, welche einem Batterieteilmodul mit einem ersten Batterieteilmodulladezustand zugeführt wird, größer ist, als die, welche einem Batterieteilmodul mit einem gegenüber dem ersten Batterieteilmodulladezustand verschiedenen zweiten Batterieteilmodulladezustand zugeführt wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass beispielsweise in einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine dem einen Batterieteilmodul eine größere Menge an Energie, welche von der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb bereitgestellt wird, zugeführt werden kann, als dem anderen Batterieteilmodul. Somit ist die Vorrichtung besonders flexibel und energieeffizient gestaltet.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von zumindest zwei Energiespeichermodulspannungen, wobei jeweils eine Energiespeichermodulspannung an einem Energiespeichermodul abfällt, das Verbinden jedes der zumindest zwei Energiespeichermodule mit zumindest einem Spannungswandlungsmodul zu jeweils einem Submodul, das Verbinden einer elektrischen Maschine mit den zumindest zwei Submodulen und das Steuern eines elektrischen Energieflusses zwischen zumindest einem der Submodule und der elektrischen Maschine.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten mögliche Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren. Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb einer Schaltungstopologie.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine mögliche Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Ladezustandsausgleich. Die Vorrichtung 1 weist vier Submodule 40 auf. Jedes der Submodule 40 umfasst ein Energiespeichermodul 13, an welchem eine Energiespeichermodulspannung UM abfällt. Die Energiespeichermodulspannung UM wird einem Spannungswandlungsmodul 20 zugeführt. Das Spannungswandlungsmodul 20 umfasst ein Spannungswandlungselement 21, wobei jedes Spannungswandlungselement 21 einen Wechselrichter 23 aufweist. Das Spannungswandlungselement 21 kann beispielsweise zusätzlich einen Gleichspannungswandler 22 aufweisen. Der Gleichspannungswandler 22 kann insbesondere als Hochsetzsteller ausgebildet sein, um die von dem Energiespeichermodul 13 bereitgestellte Energiespeichermodulspannung UM in eine höhere Spannung umzuwandeln, welche dem Wechselrichter 23 zugeführt wird. Der Wechselrichter 23 wandelt die von dem Gleichspannungswandler 22 bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechsel- bzw. Drehstromspannung um.
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Alle hier dargestellten Submodule 40 sind über jeweils eine Zuleitung 32 mit einer elektrischen Maschine 30 verbunden. Die Zuleitungen 32 können beispielsweise als dreiphasige Leitungen ausgebildet sein. Die elektrische Maschine 30 kann insbesondere als Drehstrommotor mit mehreren, galvanisch voneinander getrennten Drehstromwicklungen 34 ausgeführt sein.
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Es ist vorgesehen, dass jede Phase der dreiphasigen Zuleitung 32 mit jeweils einer der Drehstromwicklungen 34 elektrisch verbunden ist. Dies bedeutet hier, dass eine Drehstromwicklung 34, welche aus drei Phasenwicklungen bestehen kann, welche galvanisch miteinander verbunden sind, von dem ersten (obersten) Submodul 40 versorgt wird, eine weitere Drehstromwicklung 34, welche aus drei Phasenwicklungen bestehen kann, von dem zweiten Submodul 40 versorgt wird, eine weitere Drehstromwicklung 34, welche aus drei Phasenwicklungen bestehen kann, von dem dritten Submodul 40 versorgt wird und die verbleibenden eine Drehstromwicklung 34, welche aus drei Phasenwicklungen bestehen kann, von dem vierten (untersten) Submodul 40 versorgt wird. Dadurch dass die Drehstromwicklungen 34 galvanisch voneinander getrennt sind, sind auch die Energiespeichermodule 13 und somit auch die Submodule 40 galvanisch voneinander getrennt.
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Somit wird in einem Motorbetrieb die elektrische Maschine 30 über die Zuleitungen 32 mit Energie versorgt, welche durch die Energiespeichermodule 13 der angeschlossenen Submodule 40 bereitgestellt wird.
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Sofern alle Energiespeichermodule 13 gleichermaßen belastet werden, sind idealerweise die Ladezustände aller Energiespeichermodule 13 gleich. Wenn aber beispielsweise der Ladezustand des ersten (obersten) Energiespeichermoduls 13 größer ist als der Ladezustand des zweiten Energiespeichermoduls 13, so kann eine Steuereinrichtung (hier nicht dargestellt) dazu ausgelegt sein, ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich, ein sogenanntes Balancing-Verfahren, zu starten. Dazu steuert die Steuereinrichtung die elektrische Maschine 30 oder die betreffenden Submodule 40 derart an, dass ein Transformatorbetrieb der elektrischen Maschine 30 bereitgestellt wird. In diesem Transformatorbetrieb wird die elektrische Maschine 30, welche als Drehstrommotor ausgebildet ist, als Drehstromtransformator genutzt.
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Dazu wird dem ersten, stärker geladenen Energiespeichermodul 13 des ersten Submoduls 40 Leistung in Form einer Gleichspannung entnommen. Diese wird über den Wechselrichter 23 des ersten Submoduls 40 in eine Wechselspannung umgewandelt und über die erste Zuleitung 32 der angeschlossenen ersten Drehstromwicklung 34 zugeführt. Die erste Drehstromwicklung 34 überträgt die gesamte Wechselspannung in einem Transformatorbetrieb an eine zweite Drehstromwicklung 34. Diese zweite Drehstromwicklung 34, welche mit demjenigen zweiten Submodul 40 verbunden ist, dessen Energiespeichermodul 13 den geringeren Ladezustand aufweist, führt die gesamte transformierte Wechselspannung oder einen Teil der transformierten Wechselspannung dem Wechselrichter 23 des zweiten Submoduls 40 zu. Da der Wechselrichter 23 bidirektional betrieben werden kann, wandelt dieser die transformierte Wechselspannung in eine Gleichspannung um und führt diese dem geringer geladenen Energiespeichermodul 13 zum Laden zu. Das erste Energiespeichermodul 13 wird also entladen und das zweite Energiespeichermodul 13 geladen. Sobald die Ladezustände der beiden Energiespeichermodule 13 ausgeglichen sind bzw. einen vorherbestimmten Ladezustand erreicht haben, kann das Balancing-Verfahren beendet werden und die elektrische Maschine 30 wieder vollständig im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb genutzt werden.
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In 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer Schaltungstopologie 2 dargestellt. Die Schaltungstopologie 2 kann beispielsweise ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sein.
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Dabei sind mehrere Energiespeichermodule 13 über Schalteinrichtungen 17 seriell zu einem Energiespeichersystem 10, beispielsweise einem Batteriesystem, verschaltet. Die Schalteinrichtungen 17 können mittels einer Steuereinrichtung 11 über Steuerbusse 12 gesteuert werden. An jedem der Energiespeichermodule 13 fällt eine Energiespeichermodulspannung UM ab. Zwischen den einzelnen Energiespeichermodulen 13 des Batteriesystems 10 sind Spannungsabgriffe 18 angeordnet, über welche an jedes Energiespeichermodul 13 ein Spannungswandlungsmodul 20 angeschlossen wird. Die Energiespeichermodulspannung UM eines Energiespeichermoduls 13 fällt nun an demjenigen Spannungswandlungsmodul 20 ab, welches mit dem Energiespeichermodul 13 elektrisch verbunden ist. Ein Energiespeichermodul 13 sowie ein angeschlossenes Spannungswandlungsmodul 20 bilden ein Submodul 40, 40’, 40’’.
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Mittels der Submodule 40, 40’, 40’’ sind elektrische Verbraucher 30, 30’, 30’’ mit Energie versorgbar.
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Innerhalb des oberen Submoduls 40’ umfasst das Spannungswandlungsmodul 20 mehrere parallel geschaltete Spannungswandlungselemente 21, an die über eine Zuleitung 32 eine elektrische Komponente 30', insbesondere ein Elektromotor, angeschlossen ist. Die parallele Verschaltung der Spannungswandlungselemente 21 innerhalb des Submoduls 40’ dient der Stromskalierung.
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Das untere Submodul 40'' versorgt über eine Zuleitung 32 eine elektrische Komponente 30'', welche vorliegend als DC-Last ausgebildet ist, mit Energie. Das Spannungswandlungselement 21 des Spannungswandlungsmoduls 20 ist hier beispielsweise als Synchronwandler, insbesondere als Hochsetzsteller, ausgebildet.
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An die beiden mittleren Submodule 40 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über Zuleitungen 32 eine elektrische Komponente 30 angeschlossen. Diese Verschaltung bildet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Die elektrische Komponente kann als Drehstrommotor ausgeführt sein.
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In einem Motorbetrieb des Drehstrommotors 30 wird der Drehstrommotor 30 über die Zuleitungen 32 mit Energie versorgt, welche durch die Energiespeichermodule 13 der Submodule 40 bereitgestellt wird. Sobald die Energiespeichermodule 13 der Submodule 40 unterschiedliche Ladezustände aufweisen bzw. von in einer Betriebsstrategie vordefinierte Ladezustände abweichen, steuert die Steuereinrichtung 11 die Submodule 40 und/oder die elektrische Maschine 30 derart an, dass ein Balancing-Verfahren gestartet wird. Dazu wird die elektrische Maschine 30 als Transformator genutzt, wobei dem stärker geladenen Energiespeichermodul 13 Energie entzogen wird und über die elektrische Maschine 30 dem geringer geladenen Energiespeichermodul 13 als Ladeenergie zugeführt wird.
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Während sich die Vorrichtung 1 im Transformatorbetrieb befindet, können die anderen Submodule 40’ und 40’’ die angeschlossenen Lasten 30’ und 30’’ weiterhin mit Energie versorgen.
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Durch das Beispiel ist eine Vorrichtung zum Ladezustandsausgleich gezeigt, mit welcher ein Balancing-Verfahren insbesondere ohne eine zusätzliche Schaltung durchgeführt werden kann.