Titel

AUSTAUSCHBARE ENERGIESPEICHEREINRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine austauschbare Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer

Energiespeichereinrichtung mit modularem Batteriesystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug.

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.

Die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine wird

üblicherweise durch einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters bewerkstelligt. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte

Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis wird dabei 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.

Die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 offenbaren 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.

Der Energiespeichermodulstrang weist 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 die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Energiespeichermodulstrang zu schalten. Optional kann die Koppeleinheit derart gestaltet sein, dass sie es zusätzlich erlaubt, die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle auch mit inverser Polarität in den jeweiligen

Energiespeichermodulstrang zu schalten oder auch den jeweiligen

Energiespeichermodulstrang zu unterbrechen. BDCs weisen üblicherweise 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 dem Energieversorgungsstrang herausgeschaltet werden können. Die Gesamtausgangsspannung des Energiespeichermodulstrangs kann durch entsprechendes Ansteuern der Koppeleinheiten variiert und insbesondere stufig eingestellt werden. Die Stufung der Ausgangsspannung ergibt sich dabei aus der Spannung eines einzelnen Energiespeichermoduls, wobei die maximal mögliche

Gesamtausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller

Energiespeichermodule des Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.

Zur Einstellung einer Ausgangsspannung eines Energiespeichermoduls kann eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Ansteuerung der Koppeleinheiten erfolgen. Dadurch ist es möglich, durch gezielte Variation der Ein- bzw. Ausschaltzeiten einen gewünschten Mittelwert als Energiespeichermodulspannung auszugeben.

Die in den Energiespeichermodulen verbauten Energiespeicherzellen sind alterungs- und verschleißbedingten Verschlechterungen in Leistung, Ladekapazität und/oder

Ausgangsspannung unterworfen, so dass die Energiespeicherzellen nach einer gewissen Betriebsdauer ausgetauscht werden müssen. Insbesondere bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann dieses Austauschen einen erheblichen Kostenfaktor darstellen. Die Druckschrift US 201 1/0064981 A1 offenbart ein modulares Batteriesystem, zum Beispiel für ein Elektroauto, bei dem einzelne Batteriezellen eines fachartig angeordneten Koppelsystems bei Bedarf ausgetauscht werden können. Für BDCs jedoch besteht ein Bedarf an Austauschkomponenten, die nach einem Ende der Lebensdauer eines bestehenden BDC problemlos und flexibel an das bestehende Gesamtsystem angepasst werden können.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten

Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit

Koppelelementen umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken. Dabei sind die Energiespeicherzellen und/oder die Energiespeicherzellenmodule austauschbar konfiguriert. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine

Systemkomponente, mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung, und einer Koppelinduktivität, welche mit einem Ausgangsanschluss der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer erfindungsgemäßen austauschbaren Systemkomponente, einem

Gleichspannungszwischenkreis, welcher mit der Energiespeichereinrichtung der austauschbaren Systemkomponente gekoppelt ist, einem Pulswechselrichter, welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, und welcher aus dem

Gleichspannungszwischenkreis mit einer Eingangsspannung gespeist wird, einer elektrischen Maschine, welche mit dem Pulswechselrichter gekoppelt ist, und welche von dem Pulswechselrichter mit einer Phasenspannung versorgt wird; und

einer Steuereinrichtung, welche mit den Koppeleinrichtungen gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Koppeleinrichtungen der Energiespeichereinrichtung zum

Bereitstellen einer Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung selektiv anzusteuern. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung eines elektrischen Systems, mit den Schritten des Abkoppeins einer ersten Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine

Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den

Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, von einem

Gleichspannungszwischenkreis des Systems, des Anschließens einer zweiten

Energiespeichereinrichtung, mit einer Vielzahl von in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschalteten Energiespeichermodulen, welche jeweils ein

Energiespeicherzellenmodul, welches mindestens eine Energiespeicherzelle aufweist, und eine Koppeleinrichtung mit Koppelelementen umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken, an den Gleichspannungszwischenkreis des Systems, und des Ansteuerns der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der zweiten

Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsparameter der

Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten

Energiespeichereinrichtung.

Vorteile der Erfindung

Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine modular aufgebaute

Energiespeichereinrichtung mit in einem oder mehreren Strängen seriell verschalteter Batteriezellen als Ersatzkomponente bereitzustellen, die flexibel an das Verhalten der auszutauschenden Energiespeichereinrichtung adaptiert werden kann. Dazu weist die Energiespeichereinrichtung einzelne Energiespeichermodule mit mehreren

Energiespeicherzellen auf, die über eine an die Energiespeichereinrichtung

angeschlossene oder in die Energiespeichereinrichtung integrierte Steuereinrichtung selektiv in die Stränge verschaltet werden können. Dabei kann die Steuereinrichtung die Betriebsparameter der in die Energiespeichereinrichtung eingebauten

Energiespeicherzellen mit den für das Gesamtsystem relevanten technischen

Gegebenheiten vergleichen, und durch geeignete Steuerung der Koppeleinrichtungen der Energiespeichermodule ein entsprechendes Betriebsverhalten der Austausch- Energiespeichereinrichtung emulieren.

Dies hat den Vorteil, dass nur eine Bauart von austauschbaren

Energiespeichereinrichtungen als Ersatz vorgehalten werden muss, die flexibel für verschiedene Anwendungen konfiguriert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit der austauschbaren Energiespeichereinrichtung die jeweils aktuelle

Energiespeicherzelltechnologie verwendet werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass die aktuellen Energiespeicherzellen inkompatibel zu dem älteren Austauschsystem sein könnten.

Ferner ist es vorteilhafterweise möglich, Energiespeicherzellen zeitnah nach Bedarf zu produzieren. Da Energiespeicherzellen auch„kalendarisch" altern, das heißt, mit der Zeit auch ohne Benutzung Speicherkapazität einbüßen, ist es mit der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung nicht notwendig, mit der Energiespeichereinrichtung kompatible Energiespeicherzellen auf Vorrat zu produzieren. Stattdessen können in der Energiespeichereinrichtung auf flexible Art und Weise jeweils zeitnah neu produzierte Energiespeicherzellen an das Austauschsystem angepasst werden. Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen dazu ausgelegt sein, die Energiespeicherzellenmodule aller Energiespeichermodulen in dem Energieversorgungsstrang zu überbrücken, wenn die Energiespeichereinrichtung nicht im Betrieb ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen dazu ausgelegt sein, die Energiespeicherzellenmodule aller Energiespeichermodule in dem

Energieversorgungsstrang zu überbrücken, wenn die Energiespeichereinrichtung nicht im Betrieb ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Energiespeichereinrichtung können die Koppeleinrichtungen Leistungs-MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Ermitteins der Betriebsparameter der

Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der ersten

Energiespeichereinrichtung, und des Emulierens der ermittelten Betriebsparameter durch entsprechendes Ansteuern der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsparameter der

Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten

Energiespeichereinrichtung umfassen. 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 Systems mit einer austauschbaren

Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der

vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines

Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines

Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Austauschen einer

Energiespeichereinrichtung in einem System gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein System 100 zur Spannungswandlung von durch Energiespeichermodule 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Das System 100 umfasst eine Energiespeichereinrichtung 1 mit Energiespeichermodulen 3, welche in einem Energieversorgungsstrang in Serie geschaltet sind. Der Energieversorgungsstrang ist zwischen zwei Ausgangsanschlüsse 1 a und 1 b der Energiespeichereinrichtung 1 gekoppelt, die jeweils an einen Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt sind.

Beispielhaft dient das System 100 in Fig. 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 6. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein Energieversorgungsnetz 6 verwendet wird.

Dazu ist die Energiespeichereinrichtung 1 über eine Koppelinduktivität 2a mit dem Gleichspannungszwischenkreis 2b gekoppelt. Die Koppelinduktivität 2a kann

beispielsweise eine gezielt zwischen den Gleichspannungszwischenkreis 2b und den Ausgangsanschluss 1a der Energiespeichereinrichtung 1 geschaltete induktive Drossel sein. Alternativ kann es auch möglich sein, dass die Koppelinduktivität 2a durch ohnehin vorhandene parasitäre Induktivitäten in der Verschaltung zwischen

Energiespeichereinrichtung 1 und Gleichspannungszwischenkreis 2b gebildet wird.

Der Gleichspannungszwischenkreis 2b speist einen Pulswechselrichter 4, welcher aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 2b eine dreiphasige

Wechselspannung für die elektrische Maschine 6 bereitstellt.

Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 8 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mithilfe derer die

Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschte

Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an den jeweiligen

Ausgangsanschlüssen 1a, 1 b bereitzustellen. Zudem kann die Steuereinrichtung 8 dazu ausgelegt sein, bei einem Laden der Energiespeicherzellen der

Energiespeichereinrichtung 1 die jeweiligen Koppelelemente bzw. aktiven Schaltelemente der Energiespeichereinrichtung 1 anzusteuern.

Der Energieversorgungsstrang der Energiespeichereinrichtung 1 weist mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule 3 auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule 3 in Fig. 1 vier, wobei jedoch jede andere Anzahl von

Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine

Modulausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die

Modulausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu der

Gesamtausgangsspannung, welche an den Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b der

Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt wird.

Zwei beispielhafte Aufbauformen der Energiespeichermodule 3 sind in den Fig. 2 und Fig. 3 in größerem Detail gezeigt. Die Energiespeichermodule 3 umfassen dabei jeweils eine Koppeleinrichtung 7 mit mehreren Koppelelementen 7a, 7c sowie 7b und 7d. Die

Energiespeichermodule 3 umfassen weiterhin jeweils ein Energiespeicherzellenmodul 5 mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 5a bis 5k.

Das Energiespeicherzellenmodul 5 kann dabei beispielsweise in Reihe geschaltete Zellen 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten

Energiespeichermodulen 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von

Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist. Die Energiespeicherzellenmodule 5 weisen eine Klemmenspannung von U _M auf und sind über Verbindungsleitungen mit Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. An den

Eingangsklemmen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 liegt also die Spannung U _M an. In Fig. 2 bilden die in Reihe geschalteten Koppelelemente 7a und 7c, deren Mittelabgriff mit der Ausgangsklemmen 3a verbunden ist, den so genannten linken Zweig der

Vollbrücke und es bilden die in Reihe geschalteten Koppelelemente 7b und 7d, deren Mittelabgriff mit der Ausgangsklemme 3b verbunden ist, den so genannten rechten Zweig der Vollbrücke. Die Koppeleinrichtung 7 ist in Fig. 2 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. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d als MOSFET-Schalter ausgebildet sind, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen.

Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Steuereinrichtung 9, dass das jeweilige

Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet wird oder dass das Energiespeicherzellenmodul 5 überbrückt wird. Mit Bezug auf Fig. 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. In diesem Fall liegt zwischen den Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung U _M an. Ein Überbrückungszustand 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 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 Überbrückungszuständen 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. In diesem Fall liegt zwischen den beiden Ausgangsklemmen 3a und 3b der Koppeleinrichtung 7 die Spannung -U _M an.

Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne

Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt in die

Reihenschaltung des Energieversorgungsstrangs integriert werden. Dadurch kann durch eine gezielte Ansteuerung der Koppeleinrichtungen 7 zum selektiven Schalten der

Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 in den

Energieversorgungsstrang eine Gesamtausgangsspannung bereitgestellt werden, die von den einzelnen Ausgangsspannungen der Energiespeicherzellenmodule 5 der

Energiespeichermodule 3 abhängig ist. Die Gesamtausgangsspannung kann dabei jeweils in Stufen eingestellt werden, wobei die Anzahl der Stufen mit der Anzahl der

Energiespeichermodule 3 skaliert. Bei einer Anzahl von n Energiespeichermodulen 3 kann die Gesamt-Ausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs in 2n+1 Stufen zwischen - ft - £/ _M , ...,0,...,+« - £/ _M eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften

Ausgestaltungsform für ein Energiespeichermodul 3. Dabei umfasst die Koppeleinrichtung 7 nur die Koppelelemente 7a und 7c, die als Halbbrückenschaltung das

Energiespeicherzellenmodul 5 entweder in einen Überbrückungszustand oder einen Schaltzustand in Vorwärtsrichtung in den Energieversorgungsstrang geschaltet werden können. Im Übrigen gelten ähnliche Ansteuerregeln wie im Zusammenhang mit Fig. 3 für das dort gezeigte Energiespeichermodul 3 in Vollbrückenschaltung erläutert. Die Energiespeichereinrichtung 1 in Fig. 1 ist als austauschbare Systemkomponente 9 konfiguriert. Dabei kann die austauschbare Systemkomponente 9 beispielsweise auch die Koppelinduktivität 2a umfassen. Wenn die bisherige (alte) Energiespeichereinrichtung 1 aufgrund von alterungs-, störungs- und/oder betriebsbedingten Effekten ihre Funktionalität nicht mehr erfüllen kann, beispielsweise weil die Speicherkapazität nicht mehr ausreicht, kann eine Ersatz-Energiespeichereinrichtung als neue Energiespeichereinrichtung 1 in das System 100 eingesetzt werden. Dazu wird die Systemkomponente 9 im Gesamten ausgetauscht und die Systemkomponente 9 mit der neuen Energiespeichereinrichtung 1 an den Gleichspannungszwischenkreis 2b sowie die Steuereinrichtung 8 über die

Steuerleitung 8d angeschlossen.

Es kann alternativ auch möglich sein, dass die Systemkomponente 9 die

Steuereinrichtung 8 als in die Systemkomponente 9 integrierte Steuereinrichtung 8 aufweist. Gleichermaßen kann es auch möglich sein, dass die Koppelinduktivität 2a nicht Teil der Systemkomponente 9 ist, sondern eine in das System 100 integrierte

Komponente darstellt.

In der Energiespeichereinrichtung 1 kann das Energiespeicherzellenmodul 5 oder alternativ die Energiespeicherzellen 5a bis 5k selbst austauschbar sein, das heißt, dass die Energiespeichereinrichtung 1 lediglich die Energiespeichermodule 3 mit den

Koppeleinrichtungen 7 aufweist und die Energiespeicherzellenmodule 5 bzw. die

Energiespeicherzellen 5a bis 5k bei einem Einsatz der Energiespeichereinrichtung 1 bedarfsgemäß in die Energiespeichermodule 3 eingesetzt bzw. eingebaut werden. Das bedeutet, dass die Energiespeicherzellenmodule 5 bzw. die Energiespeicherzellen 5a bis 5k nicht auf Vorrat produziert werden müssen. Dadurch kann stets auf die aktuelle Speicherzelltechnologie zurückgegriffen werden. Überdies können die

Energiespeicherzellen 5a bis 5k zu dem Zeitpunkt produziert werden, zu dem sie tatsächlich benötigt werden, um die Einflüsse einer kalendarischen Alterung zu reduzieren.

Für die Energiespeichereinrichtung 1 können mindestens so viele Energiespeichermodule 3 vorgesehen werden, dass für alle möglichen Anwendungen die Mindestspannung der auszutauschenden Energiespeichereinrichtung 1 durch Verwenden aller

Energiespeichermodule 3 noch erreicht werden kann. Für den Fall, dass die erforderliche Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 des Austauschsystems geringer als die maximal mögliche Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 ist, kann eine Auswahl unter den zuzuschaltenden Energiespeichermodulen 3 getroffen werden, um die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 an das Austauschsystem anzupassen. Um die Belastung auf die Energiespeichermodule 3 gleichmäßig zu verteilen, kann dann ein periodisches Auswechseln der zuzuschaltenden Energiespeichermodule 3 erfolgen.

Die Steuereinrichtung 8 kann die Art und die technischen Parameter der eingesetzten Energiespeicherzellenmodule 5 bzw. der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in der

Energiespeichereinrichtung 1 ermitteln, um die entsprechende Ansteuerstrategie der jeweiligen Koppeleinrichtungen 7 festzulegen. Ist beispielsweise eine

Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 erforderlich, die mit der Abstufung der einzelnen Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 nicht darstellbar ist, kann die Steuereinrichtung 3 eines oder mehrere der

Energiespeichermodule 3 in einem pulsbreitenmodulierten (PWM-)Betrieb ansteuern, so dass über das periodische Zu- und Wegschalten einzelner Energiespeichermodule 3 im zeitlichen Mittel die gewünschte Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann. Die Koppelinduktivität 2a kann dabei helfen, die Stromschwankungen zwischen der Energiespeichereinrichtung 1 und dem Gleichspannungszwischenkreis zu verringern bzw. zu unterdrücken. Für das Laden der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. der Energiespeicherzellen 5a bis 5k kann die Steuereinrichtung 8 die Spannung der Energiespeichereinrichtung 1 derart reduzieren, dass die Maximalspannung der ausgetauschten Batterie des

Austauschsystems nicht überschritten wird. Die Energiespeichermodule 3 können dabei durch ein periodisches Wechselverfahren im zeitlichen Mittel gleichmäßig geladen werden.

Wenn die Systemkomponente 9 mit Energiespeicherzellen 5a bis 5k gelagert wird, das heißt, nicht in einem System 100 verbaut ist, können die Koppeleinrichtungen 7 derart eingestellt sein, dass die Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem

Energieversorgungsstrang stets überbrückt werden. Dadurch ist die nach außen hin verfügbare Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 bzw. der Systemkomponente 9 Null. Die höchste, intern in der Energiespeichereinrichtung 1 vorhandene Spannung ist dabei die Ausgangsspannung eines einzelnen

Energiespeichermoduls 3. Dadurch sinkt die Gefahr durch Stromschläge bei der

Handhabung der Systemkomponenten 9 durch Nutzer.

Sollte eines der Energiespeichermodule 3 defekt oder gestört sein, kann die

Steuereinrichtung 8 dieses Energiespeichermodul 3 bei der Auswahl der im Betrieb zuzuschaltenden Energiespeichermodule 3 nicht mehr berücksichtigen. Damit sinkt die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Systemkomponente 9, da auch bei einem Defekt einzelner Energiespeichermodule 3 die Energiespeichereinrichtung 1 im Gesamten nutzbar bleibt.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 40 zum Austauschen einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise der Energiespeichereinrichtung 1 in Fig. 1. Das Verfahren 40 kann als ersten Schritt 41 ein Abkoppeln einer ersten

Energiespeichereinrichtung von einem Gleichspannungszwischenkreis des Systems umfassen. Die erste Energiespeichereinrichtung kann dabei eine

Energiespeichereinrichtung 1 wie in Fig. 1 dargestellt sein. Daraufhin kann in einem Schritt 42 ein Anschließen einer zweiten Energiespeichereinrichtung an den

Gleichspannungszwischenkreis des Systems erfolgen. Die zweite

Energiespeichereinrichtung kann topologisch genauso wie die erste

Energiespeichereinrichtung aufgebaut sein. In einem Schritt 43 kann dann ein Ansteuerns der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichereinrichtung erfolgen. Dabei kann auf die jeweilige

Technologie der verbauten Energiespeicherzellenmodule bzw. Energiespeicherzellen Rücksicht genommen werden.

Optional können in einem Schritt 44 die Betriebsparameter der

Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der ersten

Energiespeichereinrichtung ermittelt werden. Diese Betriebsparameter können in einem optionalen Schritt 45 durch entsprechendes Ansteuern der Koppelelemente der

Koppeleinrichtungen der zweiten Energiespeichereinrichtung emuliert werden, indem die Betriebsparameter der Energiespeicherzellenmodule und/oder der Energiespeicherzellen der zweiten Energiespeichereinrichtung berücksichtigt werden. Dadurch kann die Ersatz- Energiespeichereinrichtung an das Austauschsystem angepasst werden, auch wenn die Art und die technische Auslegung der neuen Energiespeicherzellenmodule bzw.

Energiespeicherzellen nicht mit den auszutauschenden Energiespeicherzellenmodule bzw. Energiespeicherzellen übereinstimmt.

Das Verfahren 40 eignet sich zum Bereitstellen von Ersatz-Energiespeichereinrichtungen für verschiedene Anwendungen, bei denen Batteriezellen zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine elektrische Last dienen. Beispielsweise kann das Verfahren 40 zum Austausch von Energiespeichereinrichtungen in elektrischen Antriebssystemen elektrisch betriebener Fahrzeuge eingesetzt werden.