Titel

LADEN EINES ENERGIESPEICHERS Die Erfindung betrifft ein System zum Laden eines Energiespeichers und ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Ladesystems.

Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B.

Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. In herkömmlichen Anwendungen wird eine elektrische Maschine, welche z.B. als Drehfeldmaschine ausgeführt ist, über einen Umrichter in Form eines Wechselrichters gesteuert. Kennzeichnend für derartige Systeme ist ein sogenannter Gleichspannungszwischenkreis, über welchen ein Energiespeicher, in der Regel eine Batterie, an die Gleichspannungsseite des Wechselrichters angeschlossen ist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Energiespeicher bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen.

Die Serienschaltung mehrerer Batteriezellen bringt neben einer hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass der gesamte Energiespeicher ausfällt, wenn eine einzige

Batteriezelle ausfällt, weil dann kein Batteriestrom mehr fließen kann. Ein solcher Ausfall des Energiespeichers kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Fahrzeug kann ein Ausfall der Antriebsbatterie zum "Liegenbleiben" des Fahrzeugs führen. Bei anderen Anwendungen, wie z.B. der Rotorblattverstellung von

Windkraftanlagen, kann es bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z.B. starkem Wnd, sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist stets eine hohe Zuverlässigkeit des Energiespeichers anzustreben, wobei mit "Zuverlässigkeit" die Fähigkeit eines Systems bezeichnet wird, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten.

In den älteren Anmeldungen DE 10 2010 027857 und DE 10 2010 027861 sind Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische

Maschine anschließbar sind. Die Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten

Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der elektrischen Maschine erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Batterie integriert. Zum Zwecke der Offenbarung werden diese beiden älteren Anmeldungen vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein System zum Laden mindestens einer

Energiespeicherzelle in einem steuerbaren Energiespeicher, welcher der Steuerung und der elektrischen Energieversorgung einer n-phasigen elektrischen Maschine, mit n > 1 , dient. Dabei weist der steuerbare Energiespeicher n parallele Energieversorgungszweige auf, welche jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. Die Energiespeichermodule sind einerseits mit einer Bezugsschiene und andererseits mit jeweils einer Phase der elektrischen Maschine verbindbar. Die Koppeleinheiten sind dabei als Vollbrücken ausgestaltet. In Abhängigkeit von Steuersignalen überbrücken die Koppeleinheiten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen oder sie schalten die jeweils zugeordneten Energiespeicherzellen in den jeweiligen Energieversorgungszweig. Durch jeweils ein steuerbares Schaltelement sind die Energieversorgungszweige mit jeweils einer

Sekundärseite eines Lade-Transformators verbindbar und von diesem trennbar. Dabei sind in den Verbindungsleitungen zwischen den Energieversorgungszweigen und den Sekundärseiten des Lade-Transformators jeweils zusätzliche Ladeinduktivitäten angeordnet.

Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Ladesystems, bei dem in einer Stromaufbauphase in den Energieversorgungszweigen eine betragsmäßig geringere Spannung als an der Sekundärseite des Lade- Transformators eingestellt wird und in einer der Stromaufbauphase folgenden

Stromabbauphase in den Energieversorgungszweigen eine betragsmäßig höhere Spannung als an der Sekundärseite des Lade-Transformators eingestellt wird.

Vorteile der Erfindung

Sollen die Energiespeicherzellen des steuerbaren Energiespeichers über einen

Ladetransformator geladen werden, so muss die an der Sekundärseite

(Sekundärwicklung) eines Ladetransformators anliegende Wechselspannung zunächst gleichgerichtet werden. Die Erfindung basiert auf der Grundidee, die Schaltelemente der als Vollbrücken ausgestalteten Koppeleinheiten zur Gleichrichtung der sekundärseitigen Wechselspannung der Ladetransformatoren zu nutzen. Dazu werden die Sekundärseiten der Lade-Transformatoren über jeweils eine Lade-Induktivität mit den

Energieversorgungszweigen des steuerbaren Energiespeichers verbunden. Die

Spannung an der Lade-Induktivität ergibt sich als Differenz zwischen einer

Sekundärspannung an der Sekundärseite des Lade-Transformators und der Spannung am steuerbaren Energiespeicher. Realisiert wird die Gleichrichterfunktion nun dadurch, dass die Energiespeicherzellen jeweils mit derjenigen Polarität in den jeweiligen

Energieversorgungszweig geschaltet werden, dass sie geladen werden. Dabei wird in einer Stromaufbauphase in den Energieversorgungszweigen eine betragsmäßig geringere Spannung als an der Sekundärseite des Lade-Transformators eingestellt, so dass den Ladeinduktivitäten Energie zugeführt und dort gespeichert wird. In einer der

Stromaufbauphase folgenden Stromabbauphase wird in den Energieversorgungszweigen eine betragsmäßig höhere Spannung als an der Sekundärseite des Lade-Transformators eingestellt, wodurch der Ladestrom insgesamt begrenzt wird. Die Spannung in den Energieversorgungszweigen wird dabei jeweils durch die Anzahl der in den jeweiligen Energieversorgungszweig geschalteten Energiespeicherzellen bestimmt. Über beide Phasen, also Stromaufbauphase und Stromabbauphase, hinweg, ergibt sich auf diese Weise insgesamt ein konstanter Ladestrom. Der Wegfall einer gesonderten Gleichrichtereinheit auf der Sekundärseite des Lade- Transformators führt sowohl zu einer Kosten- als auch zu einer Bauraumersparnis. Einige Schaltnetztopologien, wie beispielsweise eine sogenannte "Dual Active Bridge", erfordern ebenfalls eine steuerbare Vollbrücke auf der Sekundärseite eines Transformators.

Derartige Schaltnetztopologien lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls realisieren.

Um im Falle einer direkten Anbindung der Sekundärseite des Lade-Transformators über zusätzliche Ladeinduktivitäten an die Energieversorgungszweige einen Kurzschluss im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine zu verhindern, sind steuerbare

Schaltelemente vorgesehen, durch welche die Sekundärseite des Ladetransformators im Ladebetrieb mit den Energieversorgungszweigen verbunden werden können und im Motorbetrieb der elektrischen Maschine von diesen getrennt werden können. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Lade-Transformator n

Sekundärwicklungen auf, welche jeweils einerseits mit einem Energieversorgungszweig und andererseits mit der Bezugsschiene verbindbar sind.

Alternativ dazu können die Energieversorgungszweige auch über die jeweilige zusätzliche Ladeinduktivität mit der Sekundärseite eines jeweils zugeordneten Lade-Transformators verbindbar sein.

Die Lade-Transformatoren stellen in diesem Fall unsymmetrische Spannungsquellen dar, was zur Erzeugung unerwünschter Drehmomente in der elektrischen Maschine führen kann. Insbesondere bei einer derartigen Beschaltung ist es daher sinnvoll, weitere steuerbare Schaltelemente vorzusehen, durch welche die elektrische Maschine von den Energieversorgungszweigen abtrennbar ist.

Alternativ oder zusätzlich können unerwünschte Momente während des Ladevorgangs auch dadurch vermieden werden, dass die elektrische Maschine während des

Ladevorgangs mechanisch blockiert wird, z.B. mit Hilfe einer Getriebesperrklinke.

Alternativ kann auch die Rotorlage der elektrischen Maschine überwacht werden, z.B. mit Hilfe einer entsprechenden Sensorik, und im Falle einer detektierten Rotorbewegung abgeschaltet werden. Das erfindungsgemäße Ladesystem ist galvanisch getrennt ausgeführt und kann auch als induktives Ladegerät ausgeführt sein, d.h. alle Komponenten vom Netzeingang bis zur Primärwicklung können sich in einem Offboard-Ladegerät befinden und der Transformator kann entsprechend modifiziert, das heißt flächig ausgeführt werden. Beim Einsatz in einem Fahrzeug ergibt sich daraus der Vorteil, dass außer der Sekundärwicklung des Lade-Transformators keine zusätzlichen Bauteile zur Realisierung der Ladefunktion im Fahrzeug mitgeführt werden müssen.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Ladesystems und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Ladesystems. Ausführungsformen der Erfindung

Die Figuren 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Ladesystems. An eine dreiphasige elektrische Maschine 1 ist ein steuerbarer Energiespeicher 2 angeschlossen. Der steuerbare Energiespeicher 2 umfasst drei Energieversorgungszweige 3-1 , 3-2 und 3-3, welche einerseits mit einem

Bezugspotential T- (Bezugsschiene), welches in den dargestellten Ausführungsformen ein niedriges Potential führt, und andererseits jeweils mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind. Jeder der Energieversorgungszweige 3-1 , 3-2 und 3-3 weist m in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 4-1 1 bis 4-1 m bzw. 4-21 bis 4-2m bzw. 4-31 bis 4-3m auf, wobei m > 2. Die Energiespeichermodule 4 wiederum umfassen jeweils mehrere in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherzellen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich in dem mit der Phase W der elektrischen Maschine 1 verbundenen Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 5-31 bis 5-3m versehen sind. Die Energiespeichermodule 4 umfassen des Weiteren jeweils eine

Koppeleinheit, welche den Energiespeicherzellen 5 des jeweiligen Energiespeichermoduls 4 zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind auch die Koppeleinheiten lediglich in dem Energieversorgungszweig 3-3 mit Bezugszeichen 6-31 bis 6-3m versehen. In den dargestellten Ausführungsvarianten werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente 7-31 1 , 7-312, 7-313 und 7-314 bis 7-3m1 , 7- 3m2, 7-3m3 und 7-3m4 gebildet, welche in Form einer Vollbrücke verschaltet sind. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z.B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein.

Die Koppeleinheiten 6 ermöglichen es, den jeweiligen Energieversorgungszweig 3, durch Öffnen aller Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 zu unterbrechen.

Alternativ können die Energiespeicherzellen 5 durch Schließen von jeweils zwei der Schaltelemente 7 einer Koppeleinheit 6 entweder überbrückt werden, z.B.

Schließen der Schalter 7-312 und 7-314 oder in den jeweiligen

Energieversorgungszweig 3 geschaltet werden, z.B. Schließen der Schalter 7-312 und 7-313.

Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige 3-1 bis 3-3

werden bestimmt durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren

Schaltelemente 7 der Koppeleinheiten 6 und können stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Spannung der einzelnen

Energiespeichermodule 4. Geht man von der bevorzugten Ausführungsform

gleichartig ausgestalteter Energiespeichermodule 4 aus, so ergibt sich eine maximal mögliche Gesamt-Ausgangsspannung aus der Spannung eines einzelnen

Energiespeichermoduls 4 mal der Anzahl m der pro Energieversorgungszweig 3 in Reihe geschalteten Energiespeichermodule 4.

Die Koppeleinheiten 6 erlauben es damit, die Phasen U, V, W der elektrischen

Maschine 1 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges

Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines

bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinheiten 6 durch den steuerbaren Energiespeicher 2 gesteuert werden. Der steuerbare

Energiespeicher 2 erfüllt also insofern eine Doppelfunktion, da er einerseits der elektrischen Energieversorgung andererseits aber auch der Steuerung der

elektrischen Maschine 1 dient. Die elektrische Maschine 1 weist Statorwicklungen 8-U, 8-V und 8-W auf, die in bekannter weise in Sternschaltung miteinander verschaltet sind.

Die elektrische Maschine 1 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen als

dreiphasige Drehstrommaschine ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Nach der Phasenanzahl der elektrischen Maschine richtet sich natürlich auch die Anzahl der Energieversorgungszweige 3 in dem steuerbaren Energiespeicher 2. In den dargestellten Ausführungsbeispielen weist jedes Energiespeichermodul 4 jeweils mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen 5 auf. Die

Energiespeichermodule 4 können aber alternativ auch jeweils nur eine einzige

Energiespeicherzelle oder auch parallel geschaltete Energiespeicherzellen

aufweisen.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Koppeleinheiten 6 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente 7 in Form einer Vollbrücke gebildet, was auch die Möglichkeit einer Spannungsumkehr am Ausgang des Energiespeichermoduls bietet.. Die Koppeleinheiten 6 können aber auch durch mehr oder weniger

steuerbare Schaltelemente realisiert sein, solange die notwendigen Funktionen

(Überbrücken der Energieversorgungszellen und Schalten der

Energieversorgungszellen in den Energieversorgungszweig) realisierbar sind.

Um die Ladung von Energiespeicherzellen 5 eines oder mehrerer

Energiespeichermodule 4 zu ermöglichen, wird gemäß einer in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung ein Lade-Transformator 10' über zusätzliche Ladeinduktivitäten 20 direkt mit den Energieversorgungszweigen 3 des steuerbaren Energiespeichers 2 verbunden. Der Ladetransformator 10' weist sekundärseitig drei Sekundärwicklungen 9-1 '; 9-2' und 9- 3' auf, welche einerseits über jeweils eine der Ladeinduktivitäten 20-1 bzw. 20-2 bzw. 20-3 mit dem Energieversorgungszweig 3-1 bzw. 3-2 bzw. 3-3 verbindbar sind und

andererseits mit der Bezugsschiene T- verbunden sind. Um im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 einen Kurzschluss der Energieversorgungszweige 3 über die Ladeinduktivitäten 20 und die Sekundärwicklungen 9' zu vermeiden, sind in den

Verbindungsleitungen zwischen den Sekundärwicklungen 9' und den

Energieversorgungszweigen 3 jeweils steuerbare Schaltelemente 21-1 , 21-2 und 21-3 angeordnet. Diese ermöglichen es auch, die Sekundärwicklungen 9' und die

Ladeinduktivitäten 20 von den Energieversorgungszweigen 3 zu trennen.

Primärseitig ist dem Lade-Transformator 10 eine Schalteinheit 1 1 , z. B. in Form eine Halb- oder Vollbrücke vorgeschaltet, welche die Primärseite des Lade-Transformators 10 mit einer Wechselspannungsquelle 12 verbindet.

An den Sekundärwicklungen 9' des Lade-Transformators 10' liegt jeweils eine

Wechselspannung an, welche gleichgerichtet werden muss, um als Ladespannung für eine oder mehrere Energiespeicherzellen 5 des steuerbaren Energiespeichers 2 dienen zu können. Mit Hilfe der in Vollbrückentopologie ausgestalteten Koppeleinheiten 6 des steuerbaren Energiespeichers 2 ist es nun möglich, die Gleichrichtungsfunktion ohne eine separate Gleichrichtereinheit zu realisieren. Dazu werden die zu ladenden

Energiespeicherzellen 5 durch entsprechende Steuerung der Schaltelemente 7 der jeweils zugeordneten Koppeleinheit 6 mit jeweils der Polarität in den jeweiligen

Energieversorgungszweig 3 geschaltet, dass sie geladen werden.

Zur Ladung der Energiespeicherzellen 5 sind darüber hinaus Lade-Induktivitäten erforderlich, welche durch die zusätzlichen Ladeinduktivitäten 20 gebildet werden.

Eine Spannung U _L über einer Ladeinduktivität 20-1 , 20-2, 20-3 ergibt sich als Differenz zwischen einer Sekundärspannung U _sek auf der Sekundärseite des Lade-Transformators 10 und einer Strangspannung U _Zw eigi bzw. U _Zw eig2 bzw. U _Zwe ig ₃ an dem jeweils

zugeordneten Energieversorgungszweig 3-1 bzw. 3-2 bzw. 3-3. Die Ladung von

Energiespeicherzellen 5 erfolgt in zwei Phasen.

In einer Stromaufbauphase muss die Spannung U _L positiv sein (UL > 0), um Ladeenergie in der jeweiligen Lade-Induktivität 20-1 bzw. 20-2 bzw. 20-3 zu speichern. Dies kann erreicht werden, indem am jeweiligen Energieversorgungszweig 3 eine betragsmäßig geringere Spannung als die Sekundärspannung U _sek eingestellt wird (|U _Zw eig| < |U _sek |)- Die Strangspannung U _Zwe ig ist abhängig von der Anzahl der zugeschalteten

Energiespeicherzellen 5 in dem jeweiligen Energieversorgungszweig 3 und kann somit durch gezieltes Zu- und/oder Wegschalten von Energiespeicherzellen 5 mit Hilfe der Koppeleinheiten 6 aktiv beeinflusst werden. Dabei kann auch der Gradient des

Ladestroms über die jeweils eingestellte Strangspannung U _Zwe ig gesteuert werden. Um den Ladestrom nicht beliebig ansteigen zu lassen, folgt der Stromaufbauphase eine Stromabbauphase, in welcher die Spannung U _L negativ ist (UL < 0), so dass die in der jeweiligen Ladeinduktivität 20 gespeicherte Energie wieder abgegeben wird. Dies kann erreicht werden, indem am jeweiligen Energieversorgungszweig 3 eine betragsmäßig höhere Spannung als die Sekundärspannung U _sek eingestellt wird (|U _Zw eig| > |U _sek |)- Auch dieses Spannungsverhältnis wird wiederum durch gezieltes Zu- und/oder Wegschalten von Energiespeicherzellen 5 mit Hilfe der Koppeleinheiten 6 eingestellt.

Über beide Phasen, also Stromaufbau- und Stromabbauphase hinweg, ergibt sich dadurch ein konstanter Ladestrom.

Sollten die Ladespannungen U _sek unsymmetrisch sein, können sich unerwünschte

Momente in der elektrischen Maschine 1 aufbauen. Zur Vermeidung derartiger Momente während des Ladevorgangs können weitere steuerbare Schaltelemente 22-1 , 22-2 und 22-2 vorgesehen sein, durch welche die elektrische Maschine 1 von den

Energieversorgungszweigen 3-1 bzw. 3-2 bzw. 3-3 abtrennbar ist.

Alternativ oder zusätzlich können unerwünschte Momente während des Ladevorgangs auch dadurch vermieden werden, dass die elektrische Maschine 1 während des

Ladevorgangs mechanisch blockiert wird, z.B. mit Hilfe einer Getriebesperrklinke.

Alternativ kann auch die Rotorlage der elektrischen Maschine 1 überwacht werden, z.B. mit Hilfe einer entsprechenden Sensorik, und im Falle einer detektierten Rotorbewegung abgeschaltet werden. Alternativ zu einem Lade-Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen kann selbstverständlich auch für jeden Energieversorgungszweig 3-1 , 3-2 und 3-3 ein eigener Ladetransformator 10-1" bzw. 10-2" bzw. 10-3" mit jeweils zugeordneter Schalteinheit 11 " und Wechselspannungsquelle 12" vorgesehen sein (Figur 2). In diesem Fall ist die Verbindung der Sekundärwicklungen 9-1", 9-2" und 9-3" mit der Bezugsschiene T- lediglich optional. Ansonsten unterscheidet sich diese dritte Ausführungsform hinsichtlich ihres Aufbaus und ihre Funktionalität nicht von der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1.