WO2012163572A2 - Energieversorgungseinrichtung für wechselrichterschaltungen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a power supply device for inverter circuits and a system having a power supply device for a
- Energy storage device with inverter functionality in particular in a battery direct converter circuit for powering electrical machines.
- Wind turbines or solar systems as well as in vehicles such as hybrid or
- Electric vehicles increasingly electronic systems are used, which combine new energy storage technologies with electric drive technology.
- 1, shows the feeding of three-phase current into a three-phase electrical machine 101.
- a DC voltage provided by a DC voltage intermediate circuit 103 is converted into a three-phase AC voltage via a converter in the form of a pulse-controlled inverter 102.
- the DC intermediate circuit 103 is fed by a string 104 of serially connected battery modules 105.
- multiple battery modules 105 are often connected in series in a traction battery 104.
- Multilevel Cascaded Inverter or Battery Direct Inverter Battery Direct Inverter
- Battery Direct Inverter Battery Direct Inverter
- Such systems include DC sources in multiple Energy storage module strings, which are directly connectable to an electrical machine or an electrical network. This can be single-phase or multi-phase
- the energy storage module strands in this case have a plurality of energy storage modules connected in series, wherein each energy storage module has at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which makes it possible to interrupt the respective energy storage module string depending on control signals or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each associated with at least one battery cell in the respective energy storage module string to switch.
- suitable activation of the coupling units e.g. with the aid of pulse width modulation, suitable phase signals for controlling the phase output voltage can also be provided so that a separate pulse inverter can be dispensed with. The required for controlling the phase output voltage pulse inverter is thus integrated so to speak in the BDI.
- BDIs usually have higher efficiency and higher
- the energy for the control of the coupling units is usually by the
- de-energized battery cells for example in the case of defective or completely discharged battery cells, may therefore be the case in which the coupling units can no longer be actuated due to a lack of operating voltage. In these cases, a suitable bridging control of the coupling units is no longer possible and the entire power supply line fails.
- the present invention provides, according to one embodiment, a system having a power supply device which is adapted to a
- n-phase supply voltage for an electrical machine wherein n> 1, with n parallel-connected power supply branches, which are each connected to one of n phase terminals, each of the power supply branches a
- n parallel-connected power supply branches which are each connected to one of n phase terminals, each of the power supply branches a
- a plurality of series connected energy storage modules each comprising:
- an energy storage cell module having at least one energy storage cell, a coupling device with coupling elements, which are designed to, the
- Energy storage cell module selectively in the respective power supply branch to switch or bypass, a transformer that converts the AC operating voltage of the power supply device into a module AC voltage, a
- Rectifier circuit which rectifies the module AC voltage into a DC module voltage, and a module supply means which is operated with the module DC voltage, and which is adapted to supply the coupling elements of the coupling means with energy.
- Power supply device for the coupling devices of energy storage modules of an energy storage device.
- the power supply device provides an operating AC voltage for each of the energy storage modules that can be internally converted into a DC module voltage in each of the energy storage modules.
- the module DC voltage then serves to supply the active power
- the coupling devices of a power supply through the associated energy storage cells are self-sufficient, so that the coupling devices can be controlled even in case of a defect or a complete discharge of the energy storage cells to a safe switching state, for example, a bridging state of the defective or discharged
- the energy storage device can be operated in any case even in the event of failure of individual energy storage cell modules.
- Show it: 1 is a schematic representation of a power supply system for a three-phase electrical machine
- Fig. 2 is a schematic representation of a system with a
- FIG. 3 shows a schematic representation of the structure of an energy storage module of an energy storage device according to a further embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a schematic representation of the structure of an energy storage module of an energy storage device according to still another
- the system 20 shows a system 20 for voltage conversion of DC voltage provided by energy storage modules 3 into an n-phase AC voltage.
- the system 20 includes an energy storage device 1 with energy storage modules 3, which are connected in series in power supply branches.
- three energy supply branches are shown in FIG. 2, which are used to generate a three-phase
- AC voltage for example, for a three-phase machine 2 are suitable.
- Energy storage device 1 has at each power supply branch via an output terminal, which are respectively connected to phase lines 2a, 2b, 2c.
- the system 20 in FIG. 2 serves for feeding an electric machine 2, in particular as a traction battery for the electric drive of an electrically operated vehicle, such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
- the system 20 may further comprise a control device 6, which is connected to the energy storage device 1, and by means of which the
- Energy storage device 1 can be controlled to the desired
- the power supply branches can be connected at their end to a reference potential 4 (reference rail) which, in the illustrated embodiment, has an average potential with respect to the phase lines 2a, 2b, 2c of the electric machine 2.
- the reference potential 4 may be, for example, a ground potential.
- Each of the power supply branches has at least two in series Energy storage modules 3 on.
- the number of energy storage modules 3 per power branch in FIG. 2 is three, but any other number of energy storage modules 3 is also possible.
- each of the energy supply branches preferably comprises the same number of energy storage modules 3, but it is also possible to provide a different number of energy storage modules 3 for each energy supply branch.
- the energy storage modules 3 each have two output terminals 3a and 3b, via which an output voltage of the energy storage modules 3 can be provided.
- the system 20 further comprises a power supply device 1 1, which is designed to provide an AC operating voltage.
- Power supply device 1 for example, from a (not shown) DC voltage source using a chopper or Multivibratorscnies a
- Power supply device 1 1 can be arranged for example in the energy storage device 1 itself. It may also be that the energy supply device 1 1 in the control device 6 or an external control system, such as a battery management system, is arranged.
- Power supply device 1 1 to the individual energy storage modules. 3
- Energy storage modules 3 lines 12 are provided, which allow a series connection of the energy storage modules with respect to the operating AC power supply. Similarly, the energy storage modules 3 can each
- the energy storage modules 3 each comprise a coupling device 9 with a plurality of coupling elements 7 and 8.
- the energy storage modules 3 further comprise in each case one energy storage cell module 5 with one or more energy storage cells 5a, 5n connected in series.
- the energy storage cell module 5 can have, for example, serially connected batteries 5a, 5n, for example, lithium-ion batteries.
- the number of energy storage cells 5a, 5n in the energy storage module shown in FIG. 2 is exemplary two, but any other number of energy storage cells 5a, 5n is also possible.
- the energy storage cell modules 5 are connected via connecting lines
- Coupling device 9 is shown in Fig. 3 by way of example as a full bridge circuit with two each
- Coupling elements 7 and two coupling elements 8 is formed.
- the coupling elements 7 and 8 can each have an active switching element, for example, a semiconductor switch, and a freewheeling diode connected in parallel thereto.
- the semiconductor switches may comprise field effect transistors (FETs), for example.
- FETs field effect transistors
- the freewheeling diodes can also be integrated in each case in the semiconductor switches.
- the active switching elements or the coupling elements 7 and 8 as a power semiconductor switch, for example in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (junction field-effect transistor) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors ).
- the coupling elements 7 and 8 in Fig. 3 can be controlled in such a way, for example by means of the control device 6 in Fig. 2, that the energy storage cell module 5 is selectively connected between the output terminals 3a and 3b or that
- Energy storage cell module 5 is bridged. By suitable driving the
- the active switching elements receive their operating voltage from a
- Module supply device 15 which is arranged in each energy storage module 3. To provide the operating voltage for the coupling device 9 is in the
- a transformer 13 is arranged, whose primary winding 13a is connected to the leads 1 1 a and 1 1 b and 12 respectively.
- Secondary winding 13b of the transformer 13 can be tapped off a module AC voltage which is output via lines 14a and 14b to a rectifier circuit 14.
- the rectifier circuit 14 rectifies the module AC voltage
- the module DC voltage is delivered via lines 15a and 15b to the module supply device 15.
- the module supply device 15 can furthermore have a voltage stabilization circuit (not shown), for example with an intermediate circuit capacitor for stabilizing the module direct voltage.
- the energy storage module 3 shown in FIG. 4 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 3 in that the coupling device 9 has two instead of four coupling elements 7, 8, which take place in a half-bridge circuit are interconnected in full bridge circuit. Furthermore, the energy storage module 3 shown in FIG. 4 differs from the energy storage module 3 shown in FIG. 3 in that a center tap 14c is provided on the secondary side 13b of the transformer 13, via which, for example, further secondary voltages such as, for example, a secondary voltage of opposite polarity are tapped can. Of course, it is also possible that the secondary side 13b of the transformer 13 shown in FIG.
- the secondary side 13b of the transformer 13 has a similar center tap 13c or that the secondary side 13b of the transformer 13 does not have the center tap 13c. Furthermore, it may be possible to arrange on the secondary side 13b of the transformer 13 two separate secondary windings 13b, on each of which two different module alternating voltages for powering the coupling devices 9 can be tapped.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System mit einer Energieversorgungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Betriebswechselspannung bereitzustellen, und einer Energiespeichereinrichtung zum Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine, wobei n ≥ 1, mit n parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils mit einem von n Phasenanschlüssen verbunden sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen: ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine Energiespeicherzelle (5a, 5n) aufweist, eine Koppeleinrichtung (9) mit Koppelelementen (7, 8), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken, einen Übertrager (13), der die Betriebswechselspannung der Energieversorgungseinrichtung in eine Modulwechselspannung umsetzt, eine Gleichrichterschaltung (14), die die Modulwechselspannung in eine Modulgleichspannung gleichrichtet, und eine Modulversorgungseinrichtung (15), die mit der Modulgleichspannung betrieben wird, und die dazu ausgelegt ist, die Koppelelemente (7, 8) der Koppeleinrichtungen (9) mit Energie zu versorgen.
Description
Beschreibung Titel
Energieversorgungseinrichtung für Wechselrichterschaltungen
Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für Wechselrichterschaltungen und ein System mit einer Energieversorgungseinrichtung für eine
Energiespeichereinrichtung mit Wechselrichterfunktionalität, insbesondere in einer Batteriedirektumrichterschaltung zur Stromversorgung elektrischer Maschinen.
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. Fig. 1 beispielsweise zeigt die Einspeisung von Drehstrom in eine dreiphasige elektrische Maschine 101. Dabei wird über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule 105 in einer Traktionsbatterie 104 in Serie geschaltet.
Die Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen. In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter
Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren
Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige
Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen auf, wobei jedes Energiespeichermodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt, in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in den BDI integriert.
BDIs weisen üblicherweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere
Ausfallsicherheit gegenüber herkömmlichen Systemen, wie in Fig. 1 gezeigt, auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten aus den Energieversorgungssträngen herausgeschaltet werden können.
Die Energie für die Steuerung der Koppeleinheiten wird üblicherweise durch die
Batteriezellen innerhalb des Energiespeichermoduls selbst bereitgestellt. Bei
spannungslosen Batteriezellen, beispielsweise bei defekten oder vollständig entladenen Batteriezellen, kann daher unter Umständen der Fall auftreten, dass die Koppeleinheiten aufgrund fehlender Betriebsspannung nicht mehr angesteuert werden können. In diesen Fällen ist eine geeignete Überbrückungsansteuerung der Koppeleinheiten nicht mehr möglich und der gesamte Energieversorgungsstrang fällt aus.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform ein System mit einer Energieversorgungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine
Betriebswechselspannung bereitzustellen, und einer Energiespeichereinrichtung zum
Erzeugen einer n-phasigen Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine, wobei n > 1 , mit n parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils mit einem von n Phasenanschlüssen verbunden sind, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine
Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeichermodulen aufweist, welche jeweils umfassen:
ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen, welche dazu ausgelegt sind, das
Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken, einen Übertrager, der die Betriebswechselspannung der Energieversorgungseinrichtung in eine Modulwechselspannung umsetzt, eine
Gleichrichterschaltung, die die Modulwechselspannung in eine Modulgleichspannung gleichrichtet, und eine Modulversorgungseinrichtung, die mit der Modulgleichspannung betrieben wird, und die dazu ausgelegt ist, die Koppelelemente der Koppeleinrichtungen mit Energie zu versorgen.
Vorteile der Erfindung Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, die Ausfallssicherheit von
Batteriedirektumrichtern noch weiter zu erhöhen, indem eine externe
Energieversorgungseinrichtung für die Koppeleinrichtungen von Energiespeichermodulen einer Energiespeichereinrichtung bereitgestellt wird. Die Energieversorgungseinrichtung stellt für jedes der Energiespeichermodule eine Betriebswechselspannung bereit, die in jedem der Energiespeichermodule intern in eine Modulgleichspannung umgesetzt werden kann. Die Modulgleichspannung dient dann zur Energieversorgung der aktiven
Schaltelemente der Koppeleinrichtungen. Dadurch sind die Koppeleinrichtungen von einer Spannungsversorgung durch die zugehörigen Energiespeicherzellen autark, so dass die Koppeleinrichtungen auch bei einem Defekt oder einer vollständigen Entladung der Energiespeicherzellen angesteuert werden können, um einen sicheren Schaltzustand, beispielsweise einen Überbrückungszustand der defekten oder entladenen
Energiespeicherzellen zu gewährleisten. Damit kann die Energiespeichereinrichtung auch bei einem Ausfall einzelner Energiespeicherzellenmodule in jedem Fall weiter betrieben werden.
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:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spannungsversorgungssystems für eine dreiphasige elektrische Maschine,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer
Energiespeichereinrichtung und einer Energieversorgungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung gemäß noch einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein System 20 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 20 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in Energieversorgungszweigen in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in Fig. 2 drei Energieversorgungszweige gezeigt, welche zur Erzeugung einer dreiphasigen
Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine 2, geeignet sind.
Prinzipiell ist aber jede andere Anzahl an Phasen ebenso möglich. Die
Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem Energieversorgungszweig über einen Ausgangsanschluss, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b, 2c angeschlossen sind. Beispielhaft dient das System 20 in Fig. 2 zur Speisung einer elektrischen Maschine 2, insbesondere als Traktionsbatterie für den elektrischen Antrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wie eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs.
Das System 20 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die
Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten
Ausgangsspannungen an den jeweiligen Phasenanschlüssen 2a, 2b, 2c bereitzustellen.
Die Energieversorgungszweige können an ihrem Ende mit einem Bezugspotential 4 (Bezugsschiene) verbunden werden, welches in der dargestellten Ausführungsform in Bezug auf die Phasenleitungen 2a, 2b, 2c der elektrischen Maschine 2 ein mittleres Potential führt. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Jeder der Energieversorgungszweige weist mindestens zwei in Reihe geschaltete
Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig in Fig. 2 drei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der Energieversorgungszweige die gleiche Anzahl an Energiespeichermodulen 3, wobei es jedoch auch möglich ist, für jeden Energieversorgungszweig eine unterschiedliche Anzahl an Energiespeichermodulen 3 vorzusehen.
Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann.
Das System 20 weist weiterhin eine Energieversorgungseinrichtung 1 1 auf, welche dazu ausgelegt ist, eine Betriebswechselspannung bereitzustellen. Die
Energieversorgungseinrichtung 1 1 kann dazu beispielsweise aus einer (nicht gezeigten) Gleichspannungsquelle mithilfe einer Zerhacker- oder Multivibratorschaltung eine
Wechselspannung erzeugen, die über Zuleitungen 1 1 a und 1 1 b an die
Energiespeichereinrichtung 1 abgegeben werden kann. Die
Energieversorgungseinrichtung 1 1 kann beispielsweise in der Energiespeichereinrichtung 1 selbst angeordnet sein. Es kann auch sein, dass die Energieversorgungseinrichtung 1 1 in der Steuereinrichtung 6 oder einem externen Steuerungssystem, wie beispielsweise einem Battery Management System, angeordnet ist.
Über die Zuleitungen 1 1 a und 1 1 b wird die Betriebswechselspannung von der
Energieversorgungseinrichtung 1 1 an die einzelnen Energiespeichermodule 3
abgegeben. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die Energiespeichermodule 3 eines Energieversorgungszweigs als mit der Betriebswechselspannung versorgt dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass auch die übrigen Energiespeichermodule 3 der anderen Energieversorgungszweige in ähnlicher Weise mit der Betriebswechselspannung versorgt werden können. Dabei kann vorgesehen sein, dass zwischen den
Energiespeichermodulen 3 Leitungen 12 vorgesehen sind, die eine Reihenschaltung der Energiespeichermodule hinsichtlich der Betriebswechselspannungsversorgung ermöglichen. In ähnlicher Weise können die Energiespeichermodule 3 jedes
Energieversorgungszweigs in Parallelschaltung mit der Betriebswechselspannung versorgt werden.
Ein beispielhafter Aufbau der Energiespeichermodule 3 ist in Fig. 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen jeweils eine Koppeleinrichtung 9 mit mehreren Koppelelementen 7 und 8. Die Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin
jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a, 5n.
Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Batterien 5a, 5n, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a, 5n in dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a, 5n ebenso möglich ist. Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit
Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 9 verbunden. Die
Koppeleinrichtung 9 ist in Fig. 3 beispielhaft als Vollbrückenschaltung mit je zwei
Koppelelementen 7 und zwei Koppelelementen 8 ausgebildet. Die Koppelelemente 7 und 8 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. In den dargestellten Ausführungsvarianten können die aktiven Schaltelemente bzw. die Koppelelemente 7 und 8 als Leistungshalbleiterschalter, zum Beispiel in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Field-Effect Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.
Die Koppelelemente 7 und 8 in Fig. 3 können derart angesteuert werden, beispielsweise mithilfe der Steuereinrichtung 6 in Fig. 2, dass das Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das
Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Durch geeignetes Ansteuern der
Koppeleinrichtungen 9 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs integriert werden.
Die aktiven Schaltelemente erhalten ihre Betriebsspannung dabei von einer
Modulversorgungseinrichtung 15, die in jedem Energiespeichermodul 3 angeordnet ist. Zu Bereitstellung der Betriebsspannung für die Koppeleinrichtung 9 ist in dem
Energiespeichermodul 3 ein Übertrager 13 angeordnet, dessen Primärwicklung 13a mit den Zuleitungen 1 1 a und 1 1 b bzw. 12 verbunden ist. Über die Zuleitungen 1 1 a und 1 1 b bzw. 12 wird die von der Energieversorgungseinrichtung 1 1 bereitgestellte
Betriebswechselspannung in das Energiespeichermodul 3 eingespeist. An der
Sekundärwicklung 13b des Übertragers 13 kann eine Modulwechselspannung abgegriffen
werden, die über Leitungen 14a und 14b an eine Gleichrichterschaltung 14 abgegeben wird. Die Gleichrichterschaltung 14 richtet die Modulwechselspannung in eine
Modulgleichspannung um. Die Modulgleichspannung wird über Leitungen 15a und 15b an die Modulversorgungseinrichtung 15 abgegeben. Die Modulversorgungseinrichtung 15 kann weiterhin einen (nicht gezeigten) Spannungsstabilisierungskreis, beispielsweise mit einem Zwischenkreiskondensator zur Stabilisierung der Modulgleichspannung aufweisen.
Fig. 4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Das in Fig. 4 gezeigte Energiespeichermodul 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Energiespeichermodul 3 dadurch, dass die Koppeleinrichtung 9 zwei statt vier Koppelelemente 7, 8 aufweist, die in Halbbrückenschaltung statt in Vollbrückenschaltung verschaltet sind. Ferner unterscheidet sich das in Fig. 4 gezeigte Energiespeichermodul 3 von dem in Fig. 3 gezeigten Energiespeichermodul 3 dadurch, dass an der Sekundärseite 13b des Übertragers 13 ein Mittelabgriff 14c vorgesehen ist, über den beispielsweise weitere Sekundärspannungen wie zum Beispiel eine Sekundärspannung umgekehrter Polarität abgegriffen werden kann. Es ist selbstverständlich ebenso möglich, dass die in Fig. 3 gezeigte Sekundärseite 13b des Übertragers 13 einen ähnlichen Mittelabgriff 13c aufweist bzw. dass die Sekundärseite 13b des Übertragers 13 den Mittelabgriff 13c nicht aufweist. Weiterhin kann es möglich sein, auf der Sekundärseite 13b des Übertragers 13 zwei separate Sekundärwicklungen 13b anzuordnen, an denen jeweils zwei verschiedene Modulwechselspannungen zur Energieversorgung der Koppeleinrichtungen 9 abgegriffen werden können.
Claims
Ansprüche 1 . System (20), mit:
einer Energieversorgungseinrichtung (1 1 ), welche dazu ausgelegt ist, eine
Betriebswechselspannung bereitzustellen; und
einer Energiespeichereinrichtung (1) zum Erzeugen einer n-phasigen
Versorgungsspannung für eine elektrische Maschine (2), wobei n > 1 , mit:
n parallel geschalteten Energieversorgungszweigen, welche jeweils mit einem von n
Phasenanschlüssen (2a, 2b, 2c) verbunden sind, wobei jeder der
Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten
Energiespeichermodulen (3) aufweist, welche jeweils umfassen:
ein Energiespeicherzellenmodul (5), welches mindestens eine
Energiespeicherzelle (5a, 5n) aufweist;
eine Koppeleinrichtung (9) mit Koppelelementen (7, 8), welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul (5) selektiv in den jeweiligen
Energieversorgungszweig zu schalten oder zu überbrücken;
einen Übertrager (13), der die Betriebswechselspannung der
Energieversorgungseinrichtung (1 1 ) in eine Modulwechselspannung umsetzt; eine Gleichrichterschaltung (14), die die Modulwechselspannung in eine
Modulgleichspannung gleichrichtet; und
eine Modulversorgungseinrichtung (15), die mit der Modulgleichspannung betrieben wird, und die dazu ausgelegt ist, die Koppelelemente (7, 8) der
Koppeleinrichtungen (9) mit Energie zu versorgen.
2. System (20) nach Anspruch 1 , wobei die Energiespeichermodule (3) weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis zum Stabilisieren der Modulgleichspannung aufweisen.
3. System (20) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Koppeleinrichtungen (9) Koppelelemente (7, 8) in Vollbrückenschaltung umfassen.
4. System (20) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Koppeleinrichtungen (9) Koppelelemente (7,8) in Halbbrückenschaltung umfassen.
5. System (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (2), wobei n > 1 , deren Phasenleitungen mit den Phasenanschlüssen (2a, 2b, 2c) der Energiespeichereinrichtung (1) verbunden sind; und
einer Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen (9) der Energiespeichermodule (3) zum Erzeugen einer Versorgungsspannung für die elektrische Maschine (2) selektiv anzusteuern.
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