-
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung bei einem Kommunikationsausfall, insbesondere bei modular aufgebauten Energiespeichereinrichtungen in elektrischen Antriebssystemen.
-
Stand der Technik
-
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
-
Zur Einspeisung von Drehstrom in eine elektrische Maschine wird herkömmlicherweise über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis wird von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet. Ein derartiges Energiespeichersystem findet beispielsweise häufig Verwendung in elektrisch betriebenen Fahrzeugen.
-
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.
-
Die Druckschriften
DE 10 2010 027 857 A1 und
DE 10 2010 027 861 A1 offenbaren daher modular verschaltete Batteriezellen in Energiespeichereinrichtungen, die über eine geeignete Ansteuerung von Koppeleinheiten selektiv in den Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen zu- oder abgekoppelt werden können. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Battery Direct Converter (Batteriedirektwandler, BDC) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in einem Energiespeichermodulstrang, welche an einen Gleichspannungszwischenkreis zur elektrischen Energieversorgung einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Netzes über einen Pulswechselrichter anschließbar sind.
-
BDCs weisen in bestimmten Betriebsbereichen einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen 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. Die Gesamtausgangsspannung von BDCs wird durch den Ansteuerzustand der Koppeleinheiten bestimmt und kann stufig eingestellt werden, wobei die Stufung der Gesamtausgangsspannung von den Einzelspannungen der Energiespeichermodule abhängig ist.
-
Für die optimale Ansteuerung der einzelnen Energiespeichermodule ist es notwendig, die Betriebsparameter der Energiespeichermodule laufend zu überwachen. Dazu können Überwachungseinrichtungen mit Mikroprozessoren und entsprechenden Strom- oder Spannungssensoren für jedes der Energiespeichermodule eingesetzt werden, die an eine zentrale Betriebssteuerung berichten können. Bei einem Kommunikationsausfall der Überwachungseinrichtungen untereinander oder mit der zentralen Betriebssteuerung kann es zu einer Zwangsabschaltung des gesamten Systems kommen, da steuerrelevante Parameter nicht mehr bekannt sind.
-
Bei Kommunikationsausfällen einzelner Energiespeichermodule können diese Energiespeichermodule in BDCs von der Gesamtansteuerstrategie ausgenommen werden, indem die Energiespeichermodule dauerhaft in den Überbrückungszustand bzw. Umgehungszustand geschaltet werden. Der aktuelle Energieinhalt der ausgenommenen Energiespeichermodule zum Zeitpunkt des Kommunikationsausfalls kann in diesem Fall jedoch nicht mehr genutzt werden. Es besteht daher ein Bedarf an Lösungen für modular aufgebaute Energiespeichereinrichtungen, welche im Falle eines Kommunikationsausfalls einzelner Module der Energiespeichereinrichtungen den weiteren Betrieb des Gesamtsystems ermöglichen, so dass zum einen die Betriebssicherheit gewährleistet bleibt, zum anderen aber die Verfügbarkeit der gesamten Energiespeichereinrichtung so lang wie möglich erhalten bleibt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung an Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung, mit mindestens einem parallel geschalteten Energieversorgungsstrang mit jeweils einem oder mehreren in dem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle und eine Koppeleinrichtung mit einer Vielzahl von Koppelelementen aufweisen, wobei die Koppeleinrichtung dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder in dem jeweiligen Energieversorgungsstrang zu umgehen, einer Vielzahl von Modulsteuereinrichtungen, welche mit jeweils einem der Energiespeichermodulen gekoppelt und dazu ausgelegt sind, die Koppeleinrichtung des jeweils zugeordneten Energiespeichermoduls anzusteuern und den Ladungszustand und gegebenenfalls die Ausgangsspannung des Energiespeichermoduls zu erfassen, und einer Steuereinrichtung, welche über einen Kommunikationsbus mit den Modulsteuereinrichtungen gekoppelt und dazu ausgelegt ist, den Ladungszustand und gegebenenfalls die Ausgangsspannung der Energiespeichermodule von den Modulsteuereinrichtungen zu empfangen und in Abhängigkeit von den empfangenen Ladungszuständen und gegebenenfalls der Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule Ansteuersignale für die Energiespeichermodule an die Modulsteuereinrichtungen auszugeben, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, bei einem Kommunikationsausfall oder einer Kommunikationsstörung mit einem oder mehreren der Modulsteuereinrichtungen die Modulsteuereinrichtungen zum Ansteuern der jeweiligen Energiespeichermodule gemäß den vor dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung erfassten Ladungszuständen und gegebenenfalls Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule anzusteuern.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, mit den Schritten des Erfassens eines Ladungszustands und gegebenenfalls der Ausgangsspannung jedes der Energiespeichermodule durch jeweils eine dem Energiespeichermodul zugeordnete Modulsteuereinrichtung, des Kommunizierens der Ladungszustände und gegebenenfalls der erfassten Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule über den Kommunikationsbus an die jeweils übrigen Modulsteuereinrichtungen, des Überwachens, ob ein Kommunikationsausfall oder eine Kommunikationsstörung zwischen mindestens einer der Modulsteuereinrichtungen und der Steuereinrichtung auftritt, und des Ansteuerns der Koppeleinrichtungen der jeweils zugeordneten Energiespeichermodule in Abhängigkeit von den jeweils vor dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung erfassten Ladungszuständen und gegebenenfalls Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule nach Auftreten eines Kommunikationsausfalls oder einer Kommunikationsstörung durch die Modulsteuereinrichtungen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeichereinrichtung mit einem oder mehreren modular aufgebauten Energieversorgungssträngen aus einer Serienschaltung von Energiespeichermodulen bei einem Auftreten eines Kommunikationsausfalls oder einer Kommunikationsstörung zwischen der zentralen Ansteuerung der Energiespeichereinrichtung und den den jeweiligen Energiespeichermodulen zugeordneten Modulansteuerungen die Verfügbarkeit der Energiespeichereinrichtung dadurch zu erhöhen, dass auf den letzten bekannten Stand der Verteilung der Ladungszustände der einzelnen Energiespeichermodule zurückgegriffen wird, um lokal in den Modulansteuerungen die Energiespeichermodule zum Bereitstellen einer anteiligen Leistung an der gesamten erforderlichen Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung anzusteuern. Dadurch kann der Energiegehalt der einzelnen Energiespeichermodule optimal ausgenutzt werden, ohne dass die lokalen Modulansteuerungen mit den übrigen Modulansteuerungen oder der zentralen Ansteuerung kommunizieren müssen.
-
Vorteilhafterweise macht der modulare Aufbau der Energieversorgungsstränge eine gleichmäßige Entladung der Energiespeichermodule gemäß ihrer Restladung möglich, ohne dass dies Einfluss auf die nach außen bereitgestellte Gesamtspannung der Energiespeichereinrichtung hätte.
-
Zudem können in derartigen modularen Systemen die lokalen Steuereinrichtungen die kritischen Betriebsparameter eigenständig überwachen und ihr jeweils zugeordnetes Energiespeichermodul innerhalb zulässiger Betriebsgrenzen betreiben. Dadurch, dass jede der Modulspeichereinrichtungen beim Auftreten eines Kommunikationsausfalls bereits durch die Festlegung einer gemeinsamen Betriebsstrategie aller Modulspeichereinrichtungen Kenntnis darüber hat, wie die anderen Modulspeichereinrichtungen reagieren, kann der Energiegehalt der zugeordneten Energiespeichermodule unter Berücksichtigung der lokalen Betriebsstrategie der anderen Modulspeichereinrichtungen optimal ausgenutzt werden, ohne dass eine weitere Kommunikation mit den anderen Modulspeichereinrichtungen notwendig wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Modulsteuereinrichtungen dazu ausgelegt sein, die Koppeleinrichtungen der jeweils zugeordneten Energiespeichermodule in einem Pulsbreitenmodulationsverfahren derart anzusteuern, dass die eingestellten Pulsbreiten von dem vor dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung erfassten Ladungszustand des jeweiligen Energiespeichermoduls abhängig sind. Die Verwendung einer Pulsbreitenmodulation macht die Aufteilung der Beiträge der einzelnen Energiespeichermodule zur Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung besonders einfach und flexibel.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Modulsteuereinrichtungen dazu ausgelegt sein, den Ladungszustand und gegebenenfalls die Ausgangsspannung des jeweils zugeordneten Energiespeichermoduls an die übrigen Modulsteuereinrichtungen über den Kommunikationsbus zu übermitteln.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, bei einem Kommunikationsausfall oder einer Kommunikationsstörung das Erzeugen von Ansteuersignalen für die Energiespeichermodule an die Modulsteuereinrichtungen einzustellen. Zusätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, bei einem Kommunikationsausfall oder einer Kommunikationsstörung an diejenigen Modulsteuereinrichtungen welche von dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung nicht betroffen sind, ein Steuersignal auszugeben, welches die Modulsteuereinrichtungen anweist, die Koppeleinrichtungen der jeweils zugeordneten Energiespeichermodule gemäß den jeweils vor dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung erfassten Ladungszuständen der Energiespeichermodule anzusteuern. Dies stellt in vorteilhafter Weise sicher, dass alle Modulsteuereinrichtungen gleichermaßen an der Betriebsfehlerstrategie teilnehmen, insbesondere wenn nur ein Teil der Modulsteuereinrichtungen Kommunikationsstörungen erfährt.
-
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine schematische Darstellung von beispielhaften Ansteuerzustandsdiagrammen von Energiespeichermodulen einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
5 eine schematische Darstellung von beispielhaften Ansteuerzustandsdiagrammen von Energiespeichermodulen einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung bei einem Kommunikationsausfall gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 zeigt eine Energiespeichereinrichtung 10 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung durch parallel schaltbare Energieversorgungsstränge 10a, 10b zwischen zwei Ausgangsanschlüssen 4a und 4b der Energiespeichereinrichtung 10 umfasst. Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b weisen jeweils Stranganschlüsse 1a und 1b auf. Die Energiespeichereinrichtung 1 weist mindestens zwei parallel geschaltete Energieversorgungsstränge 10a, 10b auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energieversorgungsstränge 10a, 10b in 1 zwei, wobei jedoch jede andere größere Anzahl von Energieversorgungsstränge 10a, 10b ebenso möglich ist. Es kann dabei gleichermaßen auch möglich sein, nur einen Energieversorgungsstrang 10a zwischen die Stranganschlüsse 1a und 1b zu schalten, die in diesem Fall die Ausgangsanschlüsse 4a, 4b der Energiespeichereinrichtung 10 bilden können.
-
Die Energieversorgungsstränge 10a, 10b können dabei jeweils über Speicherinduktivitäten 2a, 2b mit dem Ausgangsanschluss 4a der Energiespeichereinrichtung 10 gekoppelt sein. Die Speicherinduktivitäten 2a, 2b können beispielsweise konzentrierte oder verteilte Bauelemente sein. Alternativ können auch parasitäre Induktivitäten der Energieversorgungsstränge 10a, 10b als Speicherinduktivitäten 2a, 2b eingesetzt werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Energieversorgungsstränge 10a, 10b kann der Stromfluss beispielsweise in einen an die Ausgangsanschlüsse 4a, 4b angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis gesteuert werden. Der maximale Strom wird dabei durch die Speicherinduktivitäten 2a, 2b im Zusammenspiel mit dem Gleichspannungszwischenkreis begrenzt.
-
Es kann weiterhin eine Strangkoppeleinrichtung 2c vorgesehen sein, die zwischen die Speicherinduktivitäten 2a, 2b und den Ausgangsanschluss 4a der Energiespeichereinrichtung 10 gekoppelt sein kann. Die Strangkoppeleinrichtung 2c kann beispielsweise Schütze oder Leistungsschalter aufweisen, mit Hilfe derer die Energieversorgungsstränge 10a, 10b selektiv von dem Ausgangsanschluss 4a der Energiespeichereinrichtung 10 abgekoppelt werden können. Im Falle eines einzelnen Energieversorgungsstrangs 10a kann auf die Speicherinduktivitäten 2a bzw. 2b sowie die Strangkoppeleinrichtung 2c auch verzichtet werden, so dass der Energieversorgungsstrang 10a direkt zwischen die Ausgangsanschlüsse 4a, 4b der Energiespeichereinrichtung 10 gekoppelt ist.
-
Jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungsstrang in 1 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungsstränge 10a, 10b die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungsstrang 10a, 10b 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.
-
Beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a und 7c sowie gegebenenfalls 7b und 7d. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a, 5k.
-
Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder -Akkumulatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.
-
Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. Die Koppeleinrichtung 7 ist in 2 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei Koppelelementen 7a, 7c und zwei Koppelelementen 7b, 7d ausgebildet. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können dabei jeweils ein aktives Schaltelement, beispielsweise einen Halbleiterschalter, und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode aufweisen. Die Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. In diesem Fall können die Freilaufdioden auch jeweils in die Halbleiterschalter integriert sein.
-
Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d in 2 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 11 in 1, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt oder umgangen wird. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b integriert werden.
-
Mit Bezug auf 2 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Vorwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7d und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7a in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in einen offenen Zustand versetzt werden. Ein erster Überbrückungszustand oder Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in offenem Zustand gehalten werden. Ein zweiter Überbrückungszustand oder Umgehungszustand kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven Schalter der Koppelelemente 7c und 7d in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden. In beiden Umgehungszuständen liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung 0 an. Ebenso kann das Energiespeicherzellenmodul 5 in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 geschaltet werden, indem die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7b und 7c in geschlossenen Zustand versetzt werden, während die aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in offenen Zustand versetzt werden.
-
Die Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 skaliert. Zwischenstufen der Ausgangsspannung eines Energiespeichermoduls 3 können beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d der Koppeleinrichtung 7 in einem Pulsbreitenmodulationsverfahren angesteuert werden. Dabei skaliert die Ausgangsspannung mit der gewählten Pulsbreite der Ansteuerung. Auf diese Weise können jeweils eine Anzahl von Energiespeichermodulen 3 in einem Dauerbetrieb angesteuert werden, um eine Grobabstufung der Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b einzustellen. Die Feinabstufung der Gesamtausgangsspannung eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b kann wiederum über ein Energiespeichermodul 3 eingestellt werden, welches pulsbreitenmoduliert angesteuert wird.
-
Die Ansteuerung der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann dabei beispielsweise eine Modulsteuereinrichtung, wie die Modulsteuereinrichtung 13 in 1, 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. Jede der Modulsteuereinrichtung 13 in 1 ist dabei einem der Energiespeichermodule 3 in dem Energieversorgungsstrang zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 jeweils nur für den Energieversorgungsstrang 10a den Energiespeichermodulen 3 zugeordnete Modulsteuereinrichtungen 13 gezeigt. Es versteht sich jedoch, dass auch der Energieversorgungsstrang 10b über entsprechende den darin umfassten Energiespeichermodulen 3 zugeordnete Modulsteuereinrichtungen 13 verfügen kann.
-
3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in 3 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 nur dadurch, dass die Koppeleinrichtung 7 zwei statt vier Koppelelemente aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
-
In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente 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.
-
Die Energiespeichereinrichtung 10 mit den Energieversorgungssträngen 10a, 10b kann beispielsweise zur Speisung einer einphasigen elektrischen Maschine eingesetzt werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 10 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz verwendet wird. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung 10 eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder einen bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) speisen. Es kann dabei auch möglich sein, die Energiespeichereinrichtung 10 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken, Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen.
-
Die Energiespeichereinrichtung 10 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 11 umfassen, welche mit dem Modulsteuereinrichtungen 13 über einen Kommunikationsbus 12 verbunden ist, und mithilfe derer die Modulsteuereinrichtungen 13 zentral gesteuert werden können, um die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 10 an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 4a, 4b bereitzustellen. Zudem kann die Steuereinrichtung 11 dazu ausgelegt sein, bei einem Laden der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichereinrichtung 10 die jeweiligen Koppelelemente bzw. aktiven Schaltelemente der Energiespeichermodule 3 der Energieversorgungsstränge 10a, 10b anzusteuern.
-
4 zeigt schematische Diagramme beispielhafter Ansteuerzustände von vier Energiespeichermodulen 3 eines Energieversorgungsstrangs 10a, 10b einer Energiespeichereinrichtung 10, wie im Zusammenhang mit 1 bis 3 erläutert. Die Ansteuerzustände in 4 können den Ansteuerzuständen im Normalzustand der Energiespeichereinrichtung 10 entsprechen, das heißt, wenn kein Kommunikationsausfall oder Kommunikationsstörung vorliegt. Dementsprechend zeigt 5 schematische Diagramme beispielhafter Ansteuerzustände der vier Energiespeichermodule 3 in 4, nachdem eine Kommunikationsausfall oder Kommunikationsstörung erfasst worden ist. Die Situation in 5 entspricht daher einer Notlaufstrategie für die Energiespeichereinrichtung 10. Die Anzahl der dargestellten Energiespeichermodule 3 in 4 und 5 beträgt nur beispielhaft vier, und es ist klar, dass jede andere Anzahl unter Berücksichtigung der entsprechenden Anpassungen möglich sein kann.
-
Im Normalzustand der 4 befinden sich die Energiespeichermodule (b) und (c) in einem dauerhaft zugeschalteten Zustand, wie durch die logisch hohen Steuersignale P2 und P3 dargestellt. Das Energiespeichermodul (b) sei im Normalzustand aus dem Energieversorgungsstrang dauerhaft ausgekoppelt, wie durch das logisch niedrige Steuersignal P4 dargestellt. Um eine Feinabstufung der gewünschten Gesamtausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs zu erreichen, kann das Energiespeichermodul (a) in einem getakteten, beispielsweise pulsbreitenmodulierten, Betriebszustand angesteuert werden, wie durch das beispielhafte PWM-Steuersignal P1 dargestellt. Im Beispiel der 4 sei der Ansteuergrad des PWM-Steuersignals P1 0,4, so dass die gesamte Ausgangsspannung U des Energieversorgungsstrangs in der in 4 dargestellten Betriebssituation 2,4/4 = 60% der maximal möglichen Gesamtausgangsspannung Umax beträgt.
-
Es ist dabei möglich, alternativ zu einem Pulsbreitenmodulationsverfahren andere Ansteuerverfahren einzusetzen, welche eine variable effektive Spannung durch Bereitstellen eines Ansteuersignalmusters erzeugen können.
-
Falls nun ein Kommunikationsausfall oder eine Kommunikationsstörung zwischen den Modulsteuereinrichtungen 13 untereinander oder mit der Steuereinrichtung 11 vorliegt bzw. erfasst wird, kann in allen Modulsteuereinrichtungen 13 ein Notlaufprogramm aktiviert werden. Dazu haben alle Modulsteuereinrichtungen 13 über die aktuellen Ladungszustände aller Energiespeichermodule 3 Kenntnis. Beispielhaft sei angenommen, dass der Ladungszustand des Energiespeichermoduls (a) bei 80%, der Ladungszustand des Energiespeichermoduls (b) bei 20%, Ladungszustand des Energiespeichermoduls (c) bei 40% und der Ladungszustand des Energiespeichermoduls (d) bei 60% liege. Dadurch ergibt sich ein mittlerer Ladungszustand von 50% gemittelt über alle Energiespeichermodule (a) bis (d).
-
Bei einem erfassten Kommunikationsausfall oder einer Kommunikationsstörung kann statt der Ansteuerstrategie in 4 die Ansteuerstrategie in 5 gewählt werden. Dazu können alle Modulsteuereinrichtungen 13 ihr jeweils zugeordnetes Energiespeichermodul 3 so ansteuern, dass jedes der Energiespeichermodule (a) bis (d) einem pulsbreitenmodulierten Betriebszustand betrieben wird. Dies kann zum einen in Abhängigkeit von der gewünschten Gesamtausgangsspannung U bzw. dem Verhältnis der gewünschten Gesamtausgangsspannung U zur maximal möglichen Spannung Umax in dem Energieversorgungsstrang erfolgen. Im Beispiel in 4 sei dieses Verhältnis U/Umax = 2,4/4 = 60%. Zum anderen können die Pulsbreiten der Ansteuersignale Q1 bis Q4 für die Energiespeichermodule (a) bis (d) so gewählt werden, dass sie den relativen Ladungszustand bzw. Energiegehalt E der Energiespeichermodule (a) bis (d) im Vergleich zum mittleren Ladungszustand bzw. Energiegehalt Emittel über alle Energiespeichermodule (a) bis (d) widerspiegeln. Dazu können die Pulsbreiten der Ansteuersignale Q1 bis Q4 für die Energiespeichermodule (a) bis (d) mit einem Faktor E/Emittel gewichtet werden.
-
Im Beispiel der 5 ergibt sich damit als Ansteuergrad für das Ansteuersignal Q1 ein Wert von U/Umax·E/Emittel = 60%·80%/50% = 96%. Dementsprechend ergibt sich für das Ansteuersignal Q2 ein Wert von 24%, für das Ansteuersignal Q3 ein Wert von 48% und für das Ansteuersignal Q4 ein Wert von 72%. Diese Werte können durch den maximalen Ansteuergrad von 100% nach oben begrenzt sein, d.h. statt einer Pulsbreitenmodulation wird eine kontinuierliche Aktivierung des Energiespeichermoduls eingesetzt. In diesem Fall kann das jeweilige Energiespeichermodul dauerhaft betrieben werden, und die Pulsbreiten der übrigen Energiespeichermodule gemäß ihrem Restladungszustand angesteuert werden. Sollten weitere Energiespeichermodul mit maximalem Ansteuergrad von 100% angesteuert werden, kann das Einstellverfahren für die Pulsbreiten für die jeweils übrigen Energiespeichermodule iterativ durchgeführt werden.
-
Mit einer derartigen Einstellung der Pulsbreiten kann der gesamte Energieversorgungsstrang mit maximaler Restlaufzeit genutzt werden, ohne dass Einbußen in der Einstellung der maximalen Gesamtspannung hingenommen werden müssen.
-
Falls die Steuereinrichtung 11 nach einem Kommunikationsausfall oder einer Kommunikationsstörung noch zumindest mit einigen der Modulsteuereinrichtungen 13 kommunizieren kann, kann die Steuereinrichtung 11 dazu ausgelegt sein, mit dem Erzeugen von Ansteuersignalen für die Energiespeichermodule 3 an die Modulsteuereinrichtungen 13 aufzuhören, um den Modulsteuereinrichtungen 13 eine ungestörte Notlaufstrategie zu ermöglichen. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 11 auch an diejenigen Modulsteuereinrichtungen 13, welche von dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung nicht betroffen sind, ein Steuersignal ausgeben, welches die Modulsteuereinrichtungen 13 anweist, die Koppeleinrichtungen 7 der jeweils zugeordneten Energiespeichermodule 3 gemäß den jeweils vor dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung erfassten Ladungszuständen der Energiespeichermodule 3 anzusteuern.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens 20 zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 10, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläutert. Mit dem Verfahren 20 kann in einer Variante eine Energiespeichereinrichtung 10 bei einem Kommunikationsausfall oder einer Kommunikationsstörung zwischen den Modulsteuereinrichtungen 13 und der Steuereinrichtung 11 angesteuert werden, um die Verfügbarkeit der Energiespeichereinrichtung 10 durch eine Notlaufstrategie zu erhöhen. Das Verfahren 20 kann dazu beispielsweise die im Zusammenhang mit den 4 und 5 erläuterte Notlaufstrategie implementieren.
-
In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Erfassen eines Ladungszustands und gegebenenfalls der Ausgangsspannung jedes der Energiespeichermodule 3 durch jeweils eine dem Energiespeichermodul 3 zugeordnete Modulsteuereinrichtung 13. Dies kann beispielsweise durch Erfassen von Betriebsparametern des Energiespeichermoduls 3 bzw. der Energiespeicherzellen 5a bis 5k erfolgen, woraus sich der Ladungszustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k errechnen oder zumindest schätzen lässt. Beispielsweise können als Betriebsparameter die Ausgangsspannung der Energiespeicherzellen 5a bis 5k, der Ausgangsstrom der Energiespeicherzellen 5a bis 5k, die Temperatur der Energiespeicherzellen 5a bis 5k oder die Betriebsdauer seit der letzten Ladung erfasst werden.
-
In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Kommunizieren der Ladungszustände und gegebenenfalls der Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 über den Kommunikationsbus 12 an die jeweils übrigen Modulsteuereinrichtungen 13 und gegebenenfalls an die Steuereinrichtung 11. Dabei wird in einem dritten Schritt 23 kontinuierlich überwacht, ob ein Kommunikationsausfall oder eine Kommunikationsstörung zwischen mindestens einer der Modulsteuereinrichtungen 13 und der Steuereinrichtung 11 auftritt. Beispielsweise kann dies eine Störung des Kommunikationsbusses 12, ein Defekt der Steuereinrichtung 11 oder ein Verlust der Verbindung zu den Modulsteuereinrichtungen 13 sein. Ein Kommunikationsausfall oder eine Kommunikationsstörung kann zwischen einzelnen der Modulsteuereinrichtungen 13 und der Steuereinrichtung 11 oder zwischen allen der genannten Komponenten auftreten.
-
Wenn ein Kommunikationsausfall oder eine Kommunikationsstörung erfasst worden ist, kann in einem Schritt 24 ein Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 der jeweils zugeordneten Energiespeichermodule 3 in Abhängigkeit von den jeweils vor dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung erfassten Ladungszuständen und gegebenenfalls Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 nach Auftreten eines Kommunikationsausfalls oder einer Kommunikationsstörung durch die Modulsteuereinrichtungen 13 erfolgen. Dabei können beispielsweise Energiespeichermodule 3 zugeschaltet werden, welche zunächst nicht an der Bereitstellung der Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 10 beteiligt waren. Alle Energiespeichermodule 3 können durch ihre jeweiligen Modulsteuereinrichtungen 13 in einem Pulsbreitenmodulationsverfahren betrieben werden, bei dem die eingestellten Pulsbreiten von dem vor dem Kommunikationsausfall oder der Kommunikationsstörung erfassten Ladungszustand und gegebenenfalls der Ausgangsspannung des jeweiligen Energiespeichermoduls 3 abhängig sind. Da alle Modulsteuereinrichtungen 13 zum Zeitpunkt des Kommunikationsausfalls über alle Ladungszustände der Energiespeichermodule 3 informiert waren, kann die eingestellte Pulsbreite dem Verhältnis des aktuellen Ladungszustands des jeweiligen Energiespeichermoduls 3 zu der Summe der aktuellen Ladungszustände aller Energiespeichermodule 3 entsprechen. Dadurch werden alle Energiespeichermodule 3 entsprechend ihres Restenergiegehalts belastet und können im Wesentlichen über den gleichen verbleibenden Restzeitraum Energie bereitstellen. Somit bleibt die Bereitstellung der gewünschten Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 10 über einen möglichst langen Zeitraum gewährleistet, ohne dass eine Notabschaltung der Energiespeichereinrichtung 10 bei einem Kommunikationsausfall notwendig wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010027857 A1 [0005]
- DE 102010027861 A1 [0005]