Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung und/oder Optimierung wenigstens eines Energiespeichermoduls, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird.

Bisherige Energiespeicher werden meist mit Gleichspannung (DC) belastet. Dies ist dem Aufbau von konventionellen Umrichter-Systemen geschuldet. Dabei wird versucht, die Wechselspannungsanteile, also harmonische Schwingungen, von den Energiespeichern fernzuhalten.

Da hierbei viele Energiespeicher in Serie oder parallel geschaltet werden müssen, ist ein Batteriemanagement-System (BMS) notwendig. Den Energiespeichern kann z.B. ein DC- Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet sein. Dieser dient dazu, die dreiphasigen Ströme des Umrichters weiter zu glätten und hochfrequente Schwingungen von den Energiespeichern fernzuhalten sowie Schaltüberschwingungen abzufangen, da die Induktivität der Energiespeicher den Strom weitertreiben würde. Das Ziel dieses Vorgehens ist es, die Energiespeicher mit DC zu belasten, da hierbei angenommen wird, dass dies zur Beständigkeit der Batteriezelle beiträgt und die Verluste reduziert.

Beispielsweise bei einem herkömmlichen Elektrofahrzeug können am DC-Bus die Umrichter vorgesehen sein, die die Energie an den Elektromotor weitergeben bzw. bei einer Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) wieder an die Batterie abgeben. An diesem Bus können beispielsweise auch Ladegeräte angeschlossen werden, die mit Wechselspannung (AC) oder Gleichspannung (DC) arbeiten können.

Diese Umrichter sind zumeist als Zweipunktumrichter, z.B. als B6-Brücke bei einer dreiphasigen Ausführung, oder - vor allem im Bereich von Solaranlagen - als Dreipunktumrichter ausgebildet.

Alternativ zu Brückenschaltungen als Umrichter sind so genannte Multilevelconverter-Sys- teme (MMC-Systeme) bekannt.

Als Energiespeicher bzw. Energiequellen können beispielsweise Batterien, z.B. Akkumulatoren, Kondensatoren, Brennstoffzellen und/oder Solaranlagen verwendet werden. Die Energiespeicher werden dabei nicht fest miteinander verdrahtet, sondern als einzelne Submodule zusammengefasst. Diesen Aufbau benötigt man für jede Phase. Daher teilen sich die Energiespeicher auf diese Phasen auf und können beispielsweise fest in Serie oder parallel verschaltet werden. Bisherige Verfahren zur Charakterisierung von Energiespeicher bzw. Energiequellen sind häufig ungenau. Zudem treten bei, z.B. frequenzabhängigen, Energiespeichern bzw. Energiequellen oftmals Verluste auf.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen welches eine genaue Charakterisierung wenigstens eines Energiespeichermoduls ermöglicht und/oder Verluste reduziert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .

Erfindungsgemäße ist das Verfahren zur Charakterisierung und/oder Optimierung wenigstens eines Energiespeichermoduls mit einem Multilevelconverter-System, vorzugsweise Modularen Multilevel Batterie-System (B2M), ausgebildet bzw. kann hierzu verwendet werden.

Die Optimierung erfolgt vorzugsweise im Hinblick auf niedrige Verluste.

Die Verluste P hängen gemäß P = I ² * Z vom Realteil des Wechselstromwiederstandes Z ab.

Bei dem Energiespeichermodul kann es sich um einen Speicher einer, vorzugsweise frequenzabhängigen, elektrischen Quelle handeln, beispielsweise einer Batterie, z.B. eines Akkumulators, einer Brennstoffzelle, einer Solarzelle und/oder eines (Super)kondensa- tors.

Das Verfahren kann beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, z.B. Elektro-PKWs, ElektroLKWs und/oder Elektro-Bussen, eingesetzt werden. Auch ein Einsatz bei Wasserstofffahrzeugen ist ebenso denkbar. Ferner kann dieses auf stationäre Energiespeicher und/oder andere Umrichter-Systeme, die am Stromnetz verwendet und/oder von einem Wechselspannungsmotor betrieben werden, angewendet werden.

Es wird eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt.

Ein, vorzugsweise modulares, Multilevelconverter-System beschreibt eine Art der Anordnung bzw. Schaltung mehrerer Energiespeichermodule bzw. Transistoren. Jedes Energiespeichermodul kann wenigstens oder genau eine Batterie, z.B. einen Akkumulator, und/oder wenigstens oder genau einen Kondensator aufweisen.

Die Transistoren dienen beispielsweise als Schalter, mittels derer z.B. Strom- und/oder Spannungspfade ausgewählt werden können. Die Energiespeichermodule können dadurch beispielsweise in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.

Vorzugsweise sind jedem Energiespeichermodul wenigstens oder genau zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Transistoren zugeordnet.

Der Transistor kann beispielsweise für eine Spannung von weniger als 500 V, 400 V, 300 V, 200 V, 100 V, 50 V, 40 V, 30 V, 20 V oder 10 V ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Transistor für eine Spannung zwischen 2 V und 8 V, z.B. 3 V, 4 V, 5 V, 6 V oder 7 V, ausgelegt sein.

Jedes Energiespeichermodul kann zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel und/oder in Serie geschaltet werden. Vorzugsweise kann jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul in Serie geschaltet werden. Die Möglichkeit eines parallelen Schaltens ist vorteilhaft, aber nicht notwendig.

Vorzugsweise sind die benachbarten Energiespeichermodule über jeweils zwei Strom- und/oder Spannungspfade miteinander verbunden. Jedem Pfad kann dabei ein Transistor zugeordnet sein.

Beispielsweise sind zwischen zwei benachbarten Energiespeichermodulen drei Transistoren vorgesehen. Die Energiespeichermodule können dadurch z.B. parallel oder in Serie geschaltet werden.

Multilevelconverter-Systeme sind im Vergleich zu Brückenschaltungen deutlich vielseitiger. So können nahezu beliebige Konfigurationen erzeugt werden. Beispielsweise können die Energiespeichermodule beliebig, z.B. parallel oder in Serie, zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.

Die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, werden derart geschaltet, dass wenigstens ein Energiespeichermodul anhand eines, vorzugsweise stromunabhängigen, Frequenzverhaltens charakterisiert und/oder optimiert wird. Zum Charakterisieren kann z.B. ein Strompuls auf das Energiespeichermodul geschaltet bzw. geprägt und die daraus resultierende Spannungsantwort gemessen werden.

Alternativ oder zusätzlich wird bei der so genannten elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) das Verhalten eines Systems unter Wechselstrombelastung untersucht. Jedes zu untersuchende System lässt sich im Grunde als eine Kombination von Widerständen, Kapazitäten und/oder Induktivitäten verstehen, welche bestimmten realen Komponenten oder Vorgängen entsprechen. Eine genaue Kenntnis des Systems ermöglicht das Erstellen eines Ersatzschaltbildes. Damit können Veränderungen im elektrischen Verhalten als Veränderungen einzelner Systemkomponenten gedeutet werden.

In den meisten Fällen ist der elektrische Widerstand jedoch frequenzabhängig. Der Strom und die Spannung sind dabei nicht in Phase, d.h. die Spannungs- und Stromkurven sind zeitlich gegeneinander versetzt. Dieses Verhalten besitzen alle Energiespeichersysteme wie z.B. (Super)kondensatoren, Batterien, Brennstoffzellen.

Ein (idealer) Kondensator ist hierfür ein typisches Beispiel. Bei Gleichstrom und sehr niedrigen Wechselstromfrequenzen ist dessen Widerstand hoch, so dass kein beziehungsweise lediglich ein sehr geringer Strom fließt. Bei höheren Frequenzen wird der Widerstand zunehmend kleiner. Der fließende Strom und die Spannung sind jedoch - bei einem idealen Kondensator - um 90° phasenversetzt.

Kondensatoren finden sich in realen Systemen zum Beispiel in Form von nichtleitenden Deckschichten und/oder Luftspalten. Eine elektrochemische Doppelschicht, die sich an der Grenzfläche eines Metalls zu einem Elektrolyten ausbildet, stellt ebenfalls einen Kondensator dar.

Genau entgegengesetzt zum Kondensator verhält sich eine Induktivität, z.B. eine Spule. Die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung beträgt auch hier 90°, jedoch mit anderem Vorzeichen. Eine Induktivität hat bei hohen Frequenzen einen extrem hohen Widerstand, während dieser bei niedrigen Frequenzen bzw. Gleichstrom annähernd Null ist. Induktivitäten sind bei den hier betrachteten technischen Systemen somit lediglich bei hohen Frequenzen von Bedeutung. Beispielsweise können die Leitungen bzw. (unbeabsichtigte) Kabelschleifen als Induktivität wirken. Dies ist bei der Messanordnung für die Impedanzspektroskopie vorzugsweise zu berücksichtigen. Andere frequenzabhängige Phänomene sind zum Beispiel Diffusionsvorgänge einer Batterie. Diese werden durch eine so genannte Warburg-Impedanz dargestellt. Nicht ideales kapazitives Verhalten, das beispielsweise durch eine poröse und/oder raue Oberfläche verursacht wird, kann anstelle eines Kondensators durch ein Element mit konstanter Phase beschrieben werden.

Wurde das Frequenzverhalten des Energiespeichermoduls charakterisiert, kann daraus - bei bekanntem und/oder geschätztem Ladezustand - beispielsweise die Alterung und/oder die Temperatur des Energiespeichermoduls abgeschätzt werden.

Das Frequenzverhalten des Energiespeichermoduls dient quasi als Basis, um weitere Charakteristika des Energiespeichermoduls zu erschließen.

Es war überraschend, dass durch Schalten der Energiespeichermodule, vorzugsweise der Transistoren, das Frequenzverhalten bestimmt werden kann. Die Frequenz, z.B. die Schaltfrequenz, ist dabei unabhängig vom Strom. Lediglich die Spannung kann darauf - z.B. durch die unterschiedlichen Schaltmuster - Einfluss haben.

Ferner wurde festgestellt, dass die Verluste eines Energiespeichermoduls von der Frequenz, z.B. der Schaltfrequenz, mit der das Energiespeichermodul betrieben wird, abhängen.

Ein Energiespeichermodul kann somit mit einer bestimmten Schaltfrequenz betrieben werden, um Verluste zu reduzieren. Das Multilevelconverter-System kann vorzugsweise in einem Frequenzbereich betrieben werden, der für das Energiespeichermodul ideal ist. Dieser Frequenzbereich kann sich über die Lebensdauer bzw. den Ladezustand hinweg verändern.

Beispielsweise kann ein Energiespeichermodul mit einer vorgegebenen Frequenz zu- und/oder weggeschaltet werden.

Die Optimierung hängt vorzugsweise lediglich von der Frequenz und nicht vom Strom ab.

Die Frequenz, z.B. die Schaltfrequenz, (typischer Weise über der Grundharmonischen von beispielsweise 50 Hz) kann vorzugsweise in einen Frequenzbereich verschoben werden, bei dem die Verluste des Energiespeichermoduls am geringsten sind. Damit können z.B. die Gesamtbatterieverluste eines Fahrzeugs verkleinert werden. Eine optimierte Frequenz kann vorzugsweise zwischen 1 kHz und 4 kHz liegen. In diesem Bereich sind die Joule'schen Verluste der Energiespeichermodule gering.

Um ein Energiespeichermodul hinsichtlich der Verluste zu optimieren, kann dieses entsprechend geschaltet werden, z.B. parallel oder in Serie zu einem oder mehreren Energiespeichermodulen.

Das Schalten kann vorzugsweise pulsweitenmoduliert (PWM) erfolgen.

Wenigstens ein Transistor, vorzugsweise alle Transistoren, weist/en eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz, 5 Hz, 6 Hz, 7 Hz, 8 Hz, 9 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz oder 100 Hz auf.

Ein Umrichterstrang kann beispielsweise 100 Stufen aufweisen. Der gesamte Umrichterstrang kann daher die 100-fache Frequenz aufweisen.

Beispielsweise kann die maximale Schaltfrequenz eines Transistors und/oder des gesamten Umrichterstrangs mindestens 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 150 kHz, 200 kHz, 250 kHz, 300 kHz, 400 kHz, 500 kHz, 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 1 ,1 MHz, 1 ,2 MHz, 1 ,3 MHz, 1 ,4 MHz, 1 ,5 MHz, 2 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz, 30 MHz, 40 MHz, 50 MHz, 80 MHz, 100 MHz oder 120 MHz betragen.

Beispielsweise kann der Transistor als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS- FET) ausgebildet sein oder einen MOSFET umfassen.

MOSFETs können mit hohen Frequenzen geschaltet werden.

Als Halbleitermaterial kann beispielsweise Silizium, Galliumnitrid, Galliumarsenid und/oder Siliziumcarbid vorgesehen sein. Auch organische Halbleiter sind grundsätzlich denkbar.

Beispielsweise ist eine Vorkonditionierung und/oder Betriebsoptimumseinstellung für MOSFETs möglich.

Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Energiespeichermodul als Batterie, vorzugsweise Akkumulator, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Energiespeichermodul wieder aufladbar. Grundsätzlich sind jedoch auch einmalige Energiespeichermodule denkbar.

Bevorzugt ermöglicht das Energiespeichermodul eine längerfristige Speicherung von Energie als z.B. ein Kondensator.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird das zu charakterisierende Energiespeichermodul in eine Konfiguration eingebunden.

Beispielsweise kann ein Energiespeichermodul zur Charakterisierung zunächst nicht in eine Konfiguration eingebunden sein. Anschließend kann dieses in eine Konfiguration eingebunden werden und beispielsweise in Serie mit wenigstens einem weiteren Energiespeichermodul geschaltet werden. Dies führt von einem Stromfluss von 0 A zu einem mit > 0 A, in dessen Verlauf die Spannungsantwort gemessen wird. Das Verhältnis von Spannung und Strom ergibt den komplexen Widerstand. Aufgrund der Kenntnis über die Frequenzen kann z.B. das Ersatzschaltbild mit Daten versehen werden.

Die Möglichkeit, die Energiespeichermodule zueinander in Serie zu schalten, ist für die Charakterisierung ausreichend. Ein Parallelschalten ist daher nicht notwendig, jedoch grundsätzlich denkbar, falls die Energiespeichermodule entsprechende Pfade aufweisen. Ferner erhöht dies die Freiheitsgrade der Datenerhebung. So können die Punkte beispielsweise ebenfalls mit unterschiedlichen Stromstärken aufgezeichnet werden.

Auf diese Weise kann das Frequenzverhalten bestimmt werden.

Ein einmaliges Einbinden in eine Konfiguration ist hierbei ausreichend, um einen ersten Messpunkt zu erhalten. Im Hinblick auf eine genauere Messung ist es hingegen vorteilhaft, mehrere Messungen durchzuführen. Dabei kann die (Um)Konfiguration beispielsweise gleich bleiben. Zum Beispiel kann erst 0 A und anschließend - gegebenenfalls mehrfach - ein Wert (oder unterschiedliche Werte) > 0 A gewählt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Konfiguration variiert.

Durch eine Änderung der Konfiguration können unterschiedliche Messpunkte ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Energiespeichermodul zunächst in Serie und anschließend parallel geschaltet werden. So kann das Frequenzverhalten für unterschiedliche Konfigurationen ermittelt werden.

Vorzugsweise kann sich die Konfiguration in jeder Stufe ändern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der Konfiguration innerhalb einer Stufe erfolgen.

Die Energiespeichermodule können in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.

Ein Ausschließen kann beispielsweise durch Schließen eines, z.B. oberen, Schalters erfolgen, sodass kein Strom durch das entsprechende Energiespeichermodul fließt.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein Strompuls auf das Energiespeichermodul geschaltet bzw. geprägt und die daraus resultierende Spannungsantwort gemessen.

Das Multilevelconverter-System kann währenddessen einen Sinus an der Last, z.B. einem Motor oder einer Stromquelle, z.B. einem Stromnetz, erzeugen.

Durch die Messung der Spannungsantwort kann eine Pulscharakterisierung erfolgen.

Aus dem Sinusverlauf der Strom- bzw. Spannungskurve kann beispielsweise über eine Änderung der Konfiguration, z.B. ein Einbinden in eine Konfiguration, ein serielles und/oder paralleles Schalten, ein Anteil herausgeschnitten werden. Je nach Schaltfrequenz und Sinusfrequenz kann sich dadurch beispielsweise ein in diesem Zeitschrift konstanter Strom ergeben. Vorzugsweise funktioniert dieses Verfahren auch, wenn der Puls nicht konstant ist.

Der Realteil des Wechselstromwiderstandes Z hängt gemäß Z = u/i von der Spannung und dem Strom ab.

Der Realteil des Wechselstromwiderstandes ist je nach Frequenzbereich unterschiedlich. Daher kann aufgrund der Spannungsantwort das Frequenzverhalten bestimmt werden.

Ohne die Notwendigkeit eines Parallelschaltens kann das Frequenzverhalten bestimmt werden. Bei einem Fahrzeug ist es auch möglich, ein, mehrere oder alle Energiespeichermodule während der Fahrt zu charakterisieren, d.h. ein Stillstand des Fahrzeugs ist nicht notwendig.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Dauer des Strompulses variiert. Die Frequenzen, die untersucht werden sollen, bestimmen beispielsweise, wie lang der Strompuls sein muss.

Durch eine Variation der Dauer des Strompulses können weitere Messpunkte ermittelt werden, um das Frequenzverhalten zu bestimmen.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein zu optimierendes Energiespeichermodul derart in eine Konfiguration eingebunden, dass der Realteil des Wechselstromwiderstands gering und/oder die Frequenz hoch ist.

In Bereichen mit hohen Frequenzen ist der Realteil des Wechselstromwiderstandes hoch, während dieser in Bereichen mit mittleren Frequenzen kleiner ist. Ein optimiertes Energiespeichermodul wird daher vorzugsweise in einem Bereich mit hohen Frequenzen und somit einem niedrigen Wechselstromwiderstand betrieben.

Beispielsweise kann ein Energiespeichermodul zur Optimierung parallel oder in Serie mit wenigstens einem weiteren Energiespeichermodul geschaltet werden.

Die Konfiguration kann in jeder Stufe und/oder innerhalb einer Stufe gleich bleiben.

Alternativ kann sich die Konfiguration in jeder Stufe und/oder innerhalb einer Stufe ändern.

In einer Konfiguration kann lediglich das zu optimierende Energiespeichermodul vorhanden sein. Alternativ kann eine Konfiguration auch wenigstens ein weiteres Energiespeichermodul aufweisen. Bevorzugt weist jede Konfiguration eine Vielzahl an Energiespeichermodulen auf, welche parallel und/oder in Serie zueinander geschaltet sind.

Beispielsweise kann durch eine Änderung der Konfiguration die Frequenz eingestellt werden.

Wenn bekannt ist, dass ein Energiespeichermodul beispielsweise bei 20 Hz die geringsten Verluste aufweist, kann eine (Um)Konfiguration mit der Frequenz 20 Hz gewählt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vor der Optimierung eine erfindungsgemäße Charakterisierung durchgeführt. Auf diese Weise kann zunächst das Frequenzverhalten des Energiespeichermoduls bestimmt werden.

Alternativ kann auch auf bestehende Daten zurückgegriffen werden. Die Daten können beispielsweise das Frequenzverhalten vergleichbarer Energiespeichermodule, Simulationen und/oder historische Daten des Energiespeichermoduls umfassen.

Ist das Frequenzverhalten bekannt, kann das Energiespeichermodul in einem Bereich betrieben werden, in dem die Verluste gering sind. Das Energiespeichermodul wird daher in eine bestimmte Konfiguration geschaltet.

Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Optimierung hinsichtlich eines einzelnen Energiespeichermoduls.

Das zu optimierende Energiespeichermodul wird daher derart in eine Konfiguration eingebunden, dass die Verluste des zu optimierenden Energiespeichermoduls möglichst gering sind.

Dies ist technisch vergleichsweise einfach zu realisieren, da keine Rücksicht auf die weiteren Energiespeichermodule genommen werden muss. Jedoch kann dies zu höheren Verlusten bei den anderen Energiespeichermodulen führen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Optimierung hinsichtlich mehrerer, vorzugsweise aller, Energiespeichermodule.

Beispielsweise können zwei, drei, vier, fünf oder mehr Energiespeichermodule optimiert werden.

Vorzugsweise erfolgt die Optimierung hinsichtlich aller Energiespeichermodule.

Dies führt dazu, dass die Verluste insgesamt reduziert werden.

Um eine oder mehrere Konfigurationen zu finden, bei denen eine Optimierung hinsichtlich des Gesamtverlustes mehrerer oder aller Energiespeichermodule erfolgt, kann eine Software eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Software mithilfe neuronaler Netze, Kalman-Filter und/oder künstlicher Intelligenz arbeiten. Beispielsweise kann das Verfahren dadurch mithilfe aufgezeichneter Daten stets weiter verbessert werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Multilevelconverter-System, vorzugsweise ein Modulares Multilevel Batterie-System, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel und/oder in Serie geschaltet ist.

Das System umfasst eine Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart zu schalten, dass wenigstens ein Energiespeichermodul charakterisiert und/oder optimiert wird.

Wenigstens ein Transistor weist eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz auf.

Eine optimierte Frequenz kann vorzugsweise zwischen 1 kHz und 4 kHz liegen.

Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile des Multilevelconverter-Sys- tems sind vorzugsweise dazu ausgebildet, z.B. mittels einer Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, vorzugsweise auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

MMC-System,

Fig. 2 einen Verlauf der Ausgangsspannung eines PWM-Systems gemäß Stand der Technik,

Fig. 3 einen Verlauf der Ausgangsspannung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems, Fig. 4 eine (verlust)leistungsoptimierte Konfigurationen eines MMC-

Systems gemäß Stand der Technik,

Fig. 5 eine Konfiguration einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zur Charakterisierung und/oder Optimierung von Energiespeichermodulen,

Fig. 6 eine Konfiguration einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zur Charakterisierung und/oder Optimierung von Energiespeichermodulen,

Fig. 7 ein Nyquist-Diagramm einer elektrochemischen

Impedanzspektroskopie,

Fig. 8 ein Diagramm der Strombelastung über die Zeit bei parallel geschalteten Energiespeichermodulen, und

Fig. 9 ein Diagramm der Frequenzanteile.

Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelne Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Die Konfiguration und/oder Anzahl an gezeigten Energiespeichermodulen, Pfaden und Transistoren ist rein beispielhaft und grundsätzlich beliebig.

Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Multilevelconverter-System zur Charakterisierung und/oder Optimierung wenigstens eines Energiespeichermoduls 10, 12, 14, 16.

Benachbarte Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 sind jeweils über mehrere Pfade miteinander verbunden. In jedem Pfad ist ein als Transistor 18 ausgebildeter Schalter vorgesehen.

Die benachbarten Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 können somit in Serie oder parallel zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 bei Bedarf, z.B. durch Schließen des oberen Schalters 18, überbrückt und auf diese Weise von einer Konfiguration ausgeschlossen werden.

In Fig. 2 ist der Spannungsverlauf U über die Zeit t einer PWM- Modulation dargestellt.

Für eine dreiphasige DC/AC-Systemkopplung werden hierbei sechs Schalter benötigt.

Bei einer B6-Brücke oder einem Zweipunktumrichter wird die DC-Spannung über mehrere bzw. einen Schalter synchron eingeschaltet, sodass sich lediglich im Zeitmittel eine Wechselspannung einstellt.

Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch die Ausgangsspannung 22 des PWM-Sys- tems daher nur rudimentär nachempfunden.

Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf U in Volt über die Zeit t in Sekunden eines MMC-Sys- tems.

Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch den Aufbau einzelner Stufen 24 nachgebildet. Die Ausgangsspannung 24 bildet die sinusförmige Sollspannung 20 daher deutlich besser nach.

In Fig. 4 ist eine (verlust)leistungsoptimierte Konfiguration eines MMC-Systems gezeigt. Die Spannung U ist in Volt über die Zeit t in Sekunden dargestellt.

Beispielhaft wird gezeigt, wie die ersten drei Spannungsstufen durch eine Parallelschaltung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gebildet werden können.

Um die Leistung zu optimieren und den besten Wirkungsgrad zu erhalten, sind in jeder Stufe stets sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in die Konfiguration eingebunden.

Fig. 5 zeigt hingegen eine Konfiguration, bei der sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in Serie geschaltet sind. Eine derartige Konfiguration kann zur Charakterisierung des Energiespeichermoduls 10 verwendet werden.

In diesem Beispiel ist das Energiespeichermodul 10 stets eingebunden, sodass für unterschiedliche Stufen jeweils ein Messwert ermittelt werden kann.

Dadurch, dass das Energiespeichermodul 10 in der ersten Stufe alleine in die Konfiguration eingebunden ist und in der zweiten Stufe mit einem weiteren Energiespeichermodul 12, in der dritten Stufe mit zwei weiteren Energiespeichermodulen 12, 14 und in der vierten Stufe mit drei weiteren Energiespeichermodulen 12, 14,16 in Serie geschalten ist, kann das Verhalten in unterschiedlichen Frequenzbereichen bestimmt werden.

Die in Fig. 5 gezeigte Konfiguration kann somit zur Charakterisierung des Energiespeichermoduls 10 verwendet werden.

Alternativ oder zusätzlich kann die in Fig. 5 gezeigte Konfiguration auch eine optimierte Konfiguration darstellen, bei der die Verluste für eines oder mehrere Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gering sind.

In Fig. 6 ist eine weitere, beispielhafte Konfiguration dargestellt.

In der ersten Stufe ist das Energiespeichermodul 10 alleine und in den weiteren Stufen in Serie mit wenigstens einem der anderen Energiespeichermodule 12, 14, 16 geschaltet.

Die in Fig. 6 gezeigte Konfiguration kann eine optimierte Konfiguration darstellen, bei der die Verluste für eines oder mehrere Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gering sind.

Die in Fig. 5 und 6 dargestellten Konfigurationen sind rein beispielhaft. Je nachdem, welches oder welche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 charakterisiert und/oder im Hinblick auf Verluste optimiert werden sollen, sind ebenso andere Konfigurationen denkbar.

In Fig. 7 ist ein Nyquist-Diagramm einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) am Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie als Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 dargestellt.

Das Vorgehen ist entsprechend für andere Speichertechnologien anwendbar. Die EIS von Batteriezellen ist je nach Hersteller sehr unterschiedlich, aber auch die Zellen eines Herstellers weichen aufgrund von unterschiedlichen Schutzbeschaltungen, Kathoden-, Anodenmaterialien und/oder Elektrolyten stark voneinander ab. Besonders interessant ist hierbei, dass die EIS selbst bei Zellen des gleichen Bautyps und Herstellers voneinander abweichen. Der grundlegende Verlauf ist jedoch bei allen Speichertypen gleich.

Die x-Achse repräsentiert den Realteil der Impedanz, also des komplexen Wechselstromwiderstandes in Q. Dieser entspricht den tatsächlichen Verlusten der Batterie in den jeweiligen Betriebspunkten.

Zudem zeigt die y-Achse den Imaginärteil der Impedanz in Q in den jeweiligen Betriebspunkten.

Die unterschiedlichen Betriebspunkte kommen durch unterschiedliche, an die Batterie angelegte Spannungsfrequenzen zustande. So sind die Frequenzen im rechten oberen Bereich niedrige Frequenzen NF und werden stark von der Diffusion beeinflusst. Die Verluste im unteren linken Bereich entsprechen den Verlusten bei hohen Frequenzen HF und werden stark von dem induktiven Verhalten beeinflusst.

Das Nyquist-Diagramm bietet nicht die Möglichkeit, exakte Frequenzwerte unmittelbar abzulesen. Diese müssen gesondert dargestellt werden.

Jedoch ist im Nyquist-Diagramm ersichtlich, dass der Punkt der kleinsten Verluste (P = I ² * Re(Z)) von der x-Achse abhängt und der Punkt ist, der sich am weitesten links befindet, da hier nur die Ohm’schen Verluste auftreten.

Eine konventionelle Belastung mit DC befindet sich im Nyquist-Diagramm bei den niedrigen Frequenzen NF und somit bei den maximalen Verlusten.

Es wurden zudem Messungen mit verschiedenen Ladezuständen durchgeführt (nicht gezeigt). Dabei ergaben sich unterschiedliche Kurvenverläufe.

Die Verluste der Batterie sind somit nicht nur von den Frequenzen und dem Strom abhängig, sondern auch von dessen Ladezustand. Eine Justierung der Verluste bei unterschiedlichen Zuständen der Batterie wäre somit vorteilhaft.

Die Temperatur und/oder der Alterungszustand beeinflusst den Frequenzgang bzw. die Verluste der Batterie ebenfalls. Bei der dargestellten Batterie wäre es somit wünschenswert, sie z.B. mit einer Frequenz von etwa 2 kHz zu belasten, um sie in dem Betriebspunkt mit geringen Verlusten zu betreiben. Dieser Punkt entspricht dem Schnittpunkt mit der x-Achse.

Das Nyquist-Diagramm dieser Batterie zeigt ein sehr homogenes Verhalten beim Punkt der kleinsten Widerstände. Dies ist jedoch nicht bei allen Batterien der Fall.

Aus diesen Messungen lässt sich nun ein Batteriemodell, ein sogenanntes Ersatzschaltbild (ESB), berechnen.

Die Modellierung der Batterie kann mit drei RC-Gliedern erfolgen, wobei die Filter-Kapazität vernachlässigbar klein gewählt wird, um die Simulation nicht zu verfälschen. Daraus ergeben sich Parameter, die das Frequenzverhalten der Batterie widerspiegeln.

Es sind auch Modellierungen ohne oder mit einem RC-Glied bzw. zwei, drei oder mehr RC-Gliedern möglich.

Hochfrequente Bereiche über 4 kHz sowie Bereiche mit sehr kleinen Frequenzen können hierbei vernachlässigt werden.

Das konventionelle Vorgehen wird erfindungsgemäß hinterfragt, zumal eine DC-Belastung von Batteriespeichern nachteilhaft ist. Es wurde festgestellt, dass hochfrequente Sinusbelastungen eine positive Auswirkung auf die Alterung der Batteriezellen haben und den so genannten State of Health (SOH) der Batterien positiv beeinflussen können.

Daher ist es vorteilhaft, die Batterie bei geeigneten Betriebspunkten zu betreiben, um Alterungseffekte gering zu halten.

Bei einem konventionellen Umrichter ist dies jedoch nur schwer möglich. Hierzu würden zusätzliche Umrichter benötigt werden, die diese harmonischen Schwingungen auf die Batterie aufmodellieren müssten, da sich durch den dreiphasigen Aufbau konventioneller Umrichter-Systemen die Ströme der drei Phasen im Mittel neutralisieren. Dadurch ist ein Vorteil des Systems bedingt, wonach die Blindströme, also Ströme, die keine Arbeit leisten, nicht das ganze Batteriesystem belasten.

Batterien bei MMC-Systemen können bei niedrigen Frequenzen eine DC-Belastung erfahren. Deren Filterung wäre zwar grundsätzlich mit Kondensatoren denkbar. Diese wären jedoch überproportional groß, da diese über eine ganze Grundschwingung hinweg kaum an Ladung verlieren dürfen. Bei batteriebetriebenen MMC-Systemen sind die Batterien der Grundfrequenz des Ausgangsstromes ausgesetzt.

Im speziellen Fall der batteriebetriebenen MMC-Systeme mit Parallelschaltung folgt der Strom dem Hauptstrom. Dieser ist durch das Ändern der Konfigurationen jedoch zerhackt.

Zudem wird beim Parallelschalten der Strom auf mehrere Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 aufgeteilt. Dies führt zu einem kleineren Strom in den jeweiligen Energiespeichermodulen 10, 12, 14, 16 als insgesamt durch das Gesamtsystem fließt. Ein Umrichtertyp, der dies ermöglicht, ist der Modular Multilevel Batteriekonverter (M2B), quasi eine Unterart eines MMC-Systems.

Fig. 8 zeigt die Kurvenform des Stromes I, mit dem ein M2B-Modul während einer Sinuswelle belastet wird (Messung mit acht M2B-Modulen und zusätzlichem Kondensatormodul bestückt mit 860 pF), über die Zeit t.

Die Kurvenform ähnelt einer gleichgerichteten Sinuswelle. Die Unterschiede zur Hüllkurve eines gleichgerichteten Sinus-Signals ergeben sich durch die Parallelschaltung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16. Es kommt zu Sprüngen in der Strombelastung, wenn vormals parallel geschaltete Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in den Serienmodus übergehen.

Fig. 9 stellt die Frequenzanteile der in Fig. 8 dargestellten Stromkurve in Prozent dar. Wie bei einem gleichgerichteten Sinus zu erwarten ist, dominieren die Frequenzen f = 0 Hz und f = 100 Hz. Andere Frequenzanteile wie 50 Hz, 150 Hz usw. sind bedeutend niedriger und haben eine Amplitude von weniger als 15 % des Gleichanteils.

Vor allem niedrige Frequenzen bis ca. 300 Hz haben einen hohen relativen Anteil.

Eine Anwendung eines MMC-Systems oder im Speziellen eines M2B führt am Europäischen Stromnetz (50 Hz) zu einer Belastung der Batterien mit 100 Hz. Dies entspricht dem doppelten Wert, da von einer Sinuswelle sowohl die positive als auch die negative Halbwelle durch die Batterien fließen.

Bei einer Anwendung des Umrichters an einem Drehstrommotor hängt die Frequenzbelastung somit von der elektrischen Drehzahl des Motors ab und entspricht in den Umrichtermodulen dem doppelten Wert dieser Drehzahl. Wenn nun die Verluste bei dieser beispielhaften Batterie bei 2 kHz am geringsten sind, dann können durch ein MMC-System, das bei einer Ausgangsfrequenz von 1 kHz betrieben wird, die Verluste gesenkt werden.

Durch die variable Batterie-Verschaltung von MMC-Systemen kann der Frequenzbereich, in dem die Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 belastet werden, jedoch frei beeinflusst werden. Dies ist auch notwendig, da der optimale Betriebspunkt von unterschiedlichen Parametern abhängt und sich z.B. im Laufe der Lebenszeit eines Energiespeichermoduls 10, 12, 14, 16 (sowie gegebenenfalls der anderen Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16) verändert.

Dies kann beispielsweise über Software und/oder Softwareupdates realisiert werden.

Zum Beispiel können auch Abhängigkeiten von der Temperatur der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 kompensiert werden.

Entsprechend kann eine Abhängigkeit von der Anzahl an Zyklen (Lebensdauer) der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 kompensiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise in zeitlichen Abständen wiederholt werden, um Alterungseinflüsse zu berücksichtigen. Um Temperatursensoren einzusparen, kann das Verfahren z.B. kontinuierlich wiederholt werden.

Die Belastungsfrequenz des Umrichters kann vorzugsweise auf unterschiedliche Lade- und/oder Entladekurven eingestellt werden.

Durch den Offsetanteil des Laststroms kann nicht 100 % der zu erwartenden Optimierung erzielt werden, da ein Sinus, der um seine Amplitude verschoben wurde, auch einen Gleichstromanteil besitzt. Dieser entspricht 50 % und für diese 50 % kann keine Verbesserung mit dem hier vorgestellten Verfahren erzielt werden.

Für die Berechnung der Verluste wird in der Elektrotechnik das quadratische Mittel (Root Mean Square - RMS) verwendet. Dadurch können Wechselgrößen in deren Gleichstromverluste bzw. Effektivwerte umgerechnet werden. Für einen um einen Offset versetzten Sinus, wie er bei dem Betrieb eines MMC-Systems auf das Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 aufgeprägt wird, ergibt sich

Wenn also auf einen DC-Strom ein Sinus modelliert wird, erhöht sich der Effektivwert (RMS). Dies ist über alle Frequenzen gleich. Das Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 hat dennoch unterschiedliche Verluste. Bei einem Sinus, der die gleiche Amplitude wie der Offset hat, ergibt sich:

I _en = J(12 ₊ (A) 1.2247.

Die Verluste können direkt über das ohmsche Gesetzt (P = I ² * R) bestimmt werden. Mit steigender Frequenz können die ohmschen Verluste reduziert werden.

Als Vergleichssystem bei 0 Hz kann ein Strom gewählt werden, der dem Effektivwert eines Sinus mit Offset entspricht, nämlich 1 ,23 A. Da der Laststrom vom Verbraucher vorgegeben wird, muss dieser nun so modelliert werden, dass es möglich ist, das Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Hier wird z.B. eine Eigenschaft der MMC-Systeme mit Parallelschaltbarkeit ausgenutzt.

Die Stufen bei diesen werden durch Parallel- und/oder Seriellverschaltung erzeugt, wie beispielhaft in Fig. 4 bis 6 dargestellt.

Zur Erzeugung eines vierstufigen Sinus können, wie in Fig. 5 dargestellt, Konfigurationen gebildet werden, wobei in der ersten Stufe ein Energiespeichermodul 10 seriell verschaltet ist, in der zweiten Stufe zwei Energiespeichermodule 10, 12 seriell verschaltet sind, in der dritten Stufe drei Energiespeichermodule 10, 12, 14 und in der vierten Stufe vier Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16.

Die restlichen Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 dienen dazu, den Innenwiderstand durch Parallelschaltung zu reduzieren.

Diese Konfiguration kann über sämtliche Stufen gehalten werden. Durch die Möglichkeit der Parallelschaltung gibt es nun aber alternative Darstellungen der Stufen. Diese können dazu genutzt werden, höhere Frequenzen auf den Batteriestrom zu modellieren.

So zeigt z.B. Fig. 6, dass für die vierte Stufe kein alternativer Vektor vorhanden ist, da alle Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 für die Erzeugung der Ausgangsspannung benötigt werden und es keine übrigen Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gibt. Für die erste, zweite und dritte Stufe gibt es jedoch verschiedenste mögliche Konfigurationen, da die Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 nahezu beliebig in eine Konfiguration parallel oder in Serie eingebunden oder gänzlich ausgeschlossen werden können.

Die Batterieverluste sind jedoch bei den Vektoren, die nicht alle Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 benutzen, suboptimal, da der Effekt der Parallelschaltung von Energiespeichermodulen 10, 12, 14, 16 und den damit verringerten Batterieverlusten nicht genutzt wird.

Beispielsweise können in der ersten Stufe sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 parallel geschaltet werden, sodass der Innenwiderstand - bei Vernachlässigung der komplexen Anteile - 1/4 beträgt.

Bereits bei den dargestellten vier Energiespeichermodulen 10, 12, 14, 16 ist eine Vielzahl an unterschiedlichen Konfigurationen denkbar, welche eine Modellierung des Batteriestroms ermöglicht.

Anhand einer Simulation wurde gezeigt, dass eine Reduzierung der Batterieverluste durch stumpfes Umschalten erzielt werden kann.

Hier gibt es z.B. die Möglichkeit, den Strom durch ein Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 zu halbieren, indem ein anderes Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 parallelgeschaltet wird oder den vollen Laststrom durch das Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 zu führen.

Dies ist stets möglich, wenn nicht alle Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 benötigt werden, um die maximale Spannung auszugeben.

Dies ist am Beispiel eines Elektroautos immer dann der Fall, wenn der Fahrer nicht mit Maximalgeschwindigkeit unterwegs ist oder nicht gerade am Stromnetz lädt. Diese Einschränkung ist jedoch unerheblich, da dies nur für die höchste Stufe gilt und in das Modulierungsschema integriert werden kann, da der Sinus selbst bei maximaler Geschwindigkeit nur kurz die maximale Amplitude besitzt.

Wird zwischen zwei Konfigurationen hin- und her geschaltet, führt dies zu einer hochfrequenten Belastung des Energiespeichermoduls 10, 12, 14, 16. Ein Hin- und Herschalten zwischen parallel und seriell ändert die Verluste über die Frequenz. Bezugszeichenliste

10, 12, 14, 16 Energiespeichermodul

18 Transistor 20 Sollspannung

22 Ausgangsspannung PWM-System

24 Stufe, Ausgangsspannung MMC-System

U Spannung t Zeit

Re(Z) Realteil des komplexen Widerstandes lm(Z) Imaginärteil des komplexen Widerstandes NF niedrige Frequenzen

HF hohe Frequenzen I Strom f Frequenz