Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls.

Bisherige Energiespeicher werden in der Regel 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, 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. Die Lithium-Ionen-Zellen, wie sie z.B. bei Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, werden nach der Herstellung zum ersten Mal geladen. Hierbei werden die Lithium-Ionen in die Anode interkaliert, also eingelagert. Es bildet sich die so genannte SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase) und/oder CI E-Schicht (Cathode Electrolyte Interphase).

Anschließend wird ein erster Entlade-/Ladezyklus durchgeführt und die Zelle kann dem so genannten Finishing unterzogen werden.

Zunächst wird die so genannte Formation durchgeführt. Dabei erfolgen in speziellen Abfolgen mehrere Lade- und Entladevorgänge der Zelle. Die Abfolge kann dabei je nach Hersteller variieren. Pulse können während der Formation zur Diagnose auf das Energiespeichermodul gegeben werden, um festzustellen, ob dieses defekt ist oder nicht.

Nach der Formation wird die so genannte Alterung (Aging) durchgeführt. Hierbei werden die Zellen mehrere Wochen oder Monate gelagert. Dies kann auch beispielsweise während des Transports des Energiespeichermoduls von Asien nach Europa oder in die USA erfolgen.

Die Alterung dient dazu, dass zellinterne Kurzschlüsse oder andere Fehler erkannt werden.

Während der Formation und/oder Alterung können Messungen, beispielweise der Leerlaufspannung, durchgeführt werden, um beispielsweise die Kapazität in Abhängigkeit von der Zeit zu bestimmen. Bei den Messvorgängen kann gegebenenfalls wenigstens ein Ent- Iade-/Ladezyklus durchgeführt werden.

Am Ende der Alterung erfolgt ein Ladevorgang, um einen Referenzpunkt festzulegen.

Ergeben sich über die Zeit kaum Änderungen der Zelleigenschaften, weist die Zelle eine hohe Qualität auf.

Anhand der Messdaten können die Zellen somit entsprechend ihrer Eigenschaften sortiert werden. Anschließend werden entweder Zellen mit ähnlichen Eigenschaften gemeinsam in ein Batteriemodul verbaut oder es werden Zellen derart zusammengefasst, dass die Batteriemodule insgesamt ähnliche Eigenschaften, z.B. 48 Volt, aufweisen.

Die Batteriemodule werden dann vom Fahrzeughersteller im Fahrzeug verbaut.

Bisher erfolgen die Formation und die Alterung beim Batteriehersteller. Die durch die Lagerung bedingten Kosten für die Alterung machen hierbei etwa 30 % des Batteriepreises aus.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls zu schaffen, bei dem/der Lagerkosten reduziert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Verfahren sowie die Vorrichtung der unabhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug, beispielsweise Elektrofahrzeug, z.B. Elektro-PKW, Elektro-LKW und/oder Elektro-Bus, bestimmtes, Energiespeichermoduls ausgebildet oder kann hierzu verwendet werden.

Bei dem Energiespeichermodul kann es sich um einen Speicher einer, vorzugsweise frequenzabhängigen, elektrischen Quelle handeln, beispielsweise einer Batterie, z.B. eines Akkumulators.

Das Verfahren wird mit einem Multilevelconverter-System, vorzugsweise Modularen Multilevel Batterie-System (B2M), ausgeführt, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird.

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, 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 geschaltet und/oder in Serie geschaltet und/oder überbrückt 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.

Jedes Energiespeichermodul weist wenigstens eine Energiespeicherzelle auf.

Beispielsweise kann das Energiespeichermodul genau eine Energiespeicherzelle aufweisen. Bevorzugt weist jedes Energiespeichermodul jedoch mehrere Energiespeicherzellen auf, z.B. mindestens 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100. Beispielsweise können mindestens 100 Energiespeicherzellen in einem Energiespeichermodul vorgesehen sein. Die Energiespeicherzellen eines Energiespeichermoduls können vorzugsweise parallel miteinander verschaltet sein. Vorzugsweise werden die Energiespeicherzellen eines Energiespeichermoduls derart gewählt, dass dieselbe Ladung wie am Netz, z.B. 230 V, anliegt.

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 eine Formation und/oder eine Alterung während einer Lagerung und/oder eines Transports zu einem Fahrzeug und/oder nach einem Einbau in einem Fahrzeug durchgeführt wird. Vorzugsweise kann dasselbe Multilevelconverter-System, welches im späteren Betrieb eingesetzt wird, auch zur Formation und/oder Alterung genutzt werden.

Ohne ein Multilevelconverter-System ist dies bisher nicht möglich. So müssen nämlich zunächst die Eigenschaften der Energiespeichermodule festgestellt werden, ehe diese in einem Fahrzeug verbaut werden, um beispielsweise im Vorfeld gegebenenfalls defekte oder qualitativ minderwertige Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen auszusortieren.

Es war überraschend, dass dies bei einem Multilevelconverter-System nicht erforderlich ist. So können defekte oder qualitativ minderwertige Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen auch noch nachträglich - beispielsweise in einem im Fahrzeug eingebauten Zustand - überbrückt bzw. entsprechend geschalten werden, um die gewünschte Gesamtkapazität zu erreichen und/oder die Alterung zu homogenisieren. Gegebenenfalls kann es auch ausreichen, eine niedrigere Gesamtkapazität zu erreichen, was wohl einen niedrigeren Preis für das Energiespeichermodul nach sich ziehen würde.

Da das Energiespeichermodul ohnehin vom Batteriehersteller zum Fahrzeughersteller transportiert werden muss, kann diese Transportzeit für die Formation und/oder die Alterung genutzt werden. Lagerzeiten und somit Kosten seitens des Batterieherstellers werden dadurch minimiert. Bei der Formation kann bereits beim Zusammenführen der Energiespeichermodule die Leistungselektronik (hier: Multilevelconverter-System) aufgebracht und dazu genutzt werden, die Lade- und/oder Entlademuster durchzuführen. Danach kann die Transportzeit für die Alterung genutzt werden. Das Testen kann dann ebenfalls über das Multilevelconverter-System erfolgen, da dieses die Möglichkeit hat, z.B. eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) durchzuführen und über diese Veränderungen der Zellen zu diagnostizieren und/oder Daten zu sammeln.

Da bei dieser Methode die Energiespeichermodule noch nicht im Fahrzeug verbaut sind, können beispielsweise zwei Energiespeichermodule miteinander verbunden werden und Strom kann von einem Modul ins andere geladen werden. Dabei wird abwechselnd das eine Modul geladen und das andere entladen, bis die Formation abgeschlossen ist.

Alternativ oder zusätzlich kann die Formation und/oder die Alterung das Energiespeichermodul nach einem Einbau im Fahrzeug durchgeführt werden, beispielsweise während der Lagerung vor der Auslieferung zum Kunden bzw. während des Transports des Fahrzeugs zum Kunden. Ferner ist es denkbar, dass das Fahrzeug bereits zum Kunden ausgeliefert wird und die Alterung innerhalb der ersten Wochen bzw. Monate während des Betriebs vorgenommen wird.

Das Testen kann auch hier über das Multilevelconverter-System erfolgen, da dieses die Möglichkeit hat, z.B. eine EIS durchzuführen und über diese Veränderungen der Zellen zu diagnostizieren.

Da die Energiespeichermodule bereits im Fahrzeug verbaut sind, ist es nicht mehr möglich, die Energiespeichermodule miteinander zu verbinden, um sie dann zu laden- und/oder entladen.

Es ist denkbar, die Formation so lange durchzuführen, bis der optimale State of Charge (SoC) erreicht wurde, um das Fahrzeug zum Kunden zu transportieren bzw. das Fahrzeug zu lagern.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit Kosten bei der Inbetriebnahme wenigstens eines für ein Fahrzeug bestimmtes Energiespeichermoduls reduziert werden, da unnötige Lagerzeiten für die Formation und/oder die Alterung entfallen. Der Herstellungsprozess von Energiespeichermodulen kann sich durch das erfindungsgemäße Verfahren grundlegend verändern.

Dadurch, dass verschiedene Teilschritte des Herstellungsprozesses von der Fabrik in das jeweilige Endprodukt verlagert werden, können sich die Fertigungskosten erheblich, z.B. um mindestens 18 %, reduzieren.

Dies liegt auch daran, dass die Leistungselektronik direkt an jedem Energiespeichermodul angreifen kann. So kann die Alterung für jedes Energiespeichermodul individuell durchgeführt werden.

Da die Eigenschaften der Energiespeichermodule nicht vor dem Verbau im Fahrzeug erfasst werden müssen, kann die Alterung beim Transport und/oder in der Produktion des Fahrzeuges erfolgen. Dadurch ist es nicht mehr nötig, dass ausschließlich gleiche Energiespeichermodule in einem Batteriepack verbaut werden.

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

Gemäß einer Ausführungsform weist jedes Energiespeichermodul eine Vielzahl an Energiespeicherzellen auf.

Beispielsweise kann ein Energiespeichermodul genau oder mindestens 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100 Energiespeicherzellen aufweisen.

Nach einer weiteren Ausführungsform werden bei der Formation und/oder Alterung mehrere Lade- und Entladevorgänge durchgeführt.

Die Begriffe Lade- und Entladevorgänge sind breit zu verstehen und umfassen neben vollständigen Lade- und Entladevorgängen ebenso Teilladungen bzw. Teilentladungen.

Ein Multilevelconverter-System ermöglicht durch eine entsprechende Schaltung beispielsweise auch ein direktes Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn die Formation und/oder Alterung während einer Lagerung, eines Transports zum Fahrzeug und/oder nach einem Einbau im Fahrzeug durchgeführt wird und die Außentemperaturen hierbei niedrig sind.

So kann das Energiespeichermodul quasi selbst die Wärme erzeugen, welche für die Formation und/oder Alterung benötigt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden wenigstens zwei Energiespeichermodule oder Energiespeichermodulsysteme miteinander verbunden und laden und/oder entladen sich gegenseitig.

Die Formation und/oder Alterung kann somit durch die Energiespeichermodule selbst erfolgen.

Dies ist beispielsweise möglich, wenn die Energiespeichermodule oder das Energiespeichermodulsystem noch nicht in das Fahrzeug eingebaut sind.

Ein Energiespeichermodulsystem kann beispielsweise sämtliche Energiespeichermodule für ein Fahrzeug umfassen.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Energiespeichermodul mittels einer Ladeeinrichtung und/oder eines Motors des Fahrzeugs geladen und/oder entladen.

Dies ist beispielsweise möglich, wenn das Energiespeichermodul noch nicht in das Fahrzeug eingebaut ist. Ebenso ist dies möglich, wenn das Energiespeichermodul bereits im Fahrzeug verbaut ist.

Es ist auch eine Kombination denkbar, bei der je nach Bedarf zur Formation und/oder Alterung zum Laden und/oder Entladen auf ein weiteres Energiespeichermodul, eine Ladeeinrichtung und/oder einen Motor des Fahrzeugs zurückgegriffen wird.

Bei der Ladeeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine externe Ladevorrichtung, z.B. eine Ladesäule oder Wallbox, handeln, welche z.B. an das Stromnetz angeschlossen sein kann. Eine externe Ladeeinrichtung kann beispielsweise notwendig sein, um (Heiz)verluste auszugleichen.

Beispielsweise kann die Wallbox des Endkunden als Ladeeinrichtung genutzt werden. In diesem Fall weiß der Kunde erst nach ein paar Wochen bzw. Monaten wie gut die Energiespeichermodule bzw. das Energiespeichermodulsystem in seinem Fahrzeug sind, also wieviel Kapazität diese aufweisen. Die Formation und/oder Alterung wird hierbei erst beim Kunden durchgeführt.

Es ist zudem denkbar, dass das Energiespeichermodul mittels des Motors des Fahrzeugs geladen und/oder entladen wird. Hierbei kann durch das Multilevelconverter-System vorzugsweise eine vollautomatisierte Formation ohne elektrische Verbindung zur Außenwelt erfolgen. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn kein Heizen erforderlich ist und lediglich Pulse erzeugt werden müssen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden bei der Formation und/oder Alterung unterschiedliche Pulse auf die Energiespeichermodule gegeben.

Beispielsweise kann die Dauer und/oder Stromstärke der Pulse variieren.

Die Pulse können z.B. durch ein Parallelschalten der Energiespeichermodule und/oder ein Umpolen und anschließender Rückpolung in die Ausgangssituation erzeugt werden.

Beispielsweise kann von einem Umrichterarm bzw. Umrichterstrang in den anderen geladen und/oder entladen werden, sodass weniger Verluste entstehen. Es kann im Gegensatz zur eigentlichen Anwendung eine konstante Spannung von zwei Umrichtersträngen erzeugt werden, d.h. zwei Stränge haben die gleichen Spannungen. Dadurch wird die Ansteuerung sehr vereinfacht.

Alternativ können auch zwei Energiespeichermodule parallel geschalten werden. Oder an zwei Energiespeichermodulen wird eine Spannung von beispielweiße 200 V eingestellt und an einem anderen Energiespeichermodul eine Spannung von 180 V. Somit kann Strom aus den beiden 200 V-Energiespeichermodulen in das 180 V-Energiespeichermo- dul fließen. Dadurch kann ebenfalls ein Stromfluss, beispielsweise über den Motor, erzeugt werden. Dieser wird durch Variation der Strangspannungen so eingestellt, dass die Batterieformation durchgeführt wird. Eine pulsförmige Belastung kann über die jeweiligen Schalter direkt auf die Energiespeichermodule aufgebracht werden.

Ein Mastercontroller kann hierbei den Gesamtstromfluss einstellen und die jeweiligen Slave-Module schneiden sich aus diesem die richtigen Pulse heraus, indem seriell, parallel oder überbrückt geschalten wird.

Währenddessen könnten die Energiespeichermodule vorzugsweie bereits mittels einer Sensorik überwacht werden.

Die Pulse können z.B. der Diagnose dienen, um die Qualität der Energiespeichermodule zu bestimmen.

Nach einer weiteren Ausführungsform werden vor, während und/oder nach der Formation und/oder Alterung Daten der Energiespeichermodule ermittelt.

Es können also vorzugsweise permanent Daten erfasst werden.

Aus Tests vor, während und/oder nach Lade- und Entladevorgängen können Daten ermittelt werden. Beispielsweise kann eine EIS durchgeführt werden.

Das Vorgehen bei der Formation von Energiespeichermodulen bzw. Energiespeicherzellen ist je nach Hersteller sehr unterschiedlich, aber auch Energiespeichermodule bzw. Energiespeicherzellen eines Herstellers weichen aufgrund von unterschiedlichen Kathoden-, Anodenmaterialien und Elektrolyten stark voneinander ab. Zudem kann die Formation aber auch bei Energiespeichermodulen bzw. Energiespeicherzellen des gleichen Bautyps und Herstellers abweichen.

Der grundlegende Verlauf ist jedoch bei allen Energiespeichermodulen gleich.

Bei einem EIS zeigt die x-Achse den Realteil der Impedanz (komplexer Widerstand) des Energiespeichermoduls und repräsentiert die tatsächlichen Verluste des Energiespeichermoduls in diesem Betriebspunkt. Die y-Achse zeigt den Imaginärteil der Impedanz in den Betriebspunkten. Die unterschiedlichen Betriebspunkte kommen durch unterschiedliche angelegte Spannungsfrequenzen zustande. So sind die Frequenzen im rechten oberen Eck niedrig und stark von der Diffusion beeinflusst. Die Verluste links unten sind die Verluste bei hohen Frequenzen und von dem induktiven Verhalten stark beeinflusst.

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.

Zum Charakterisieren kann z.B. ein Strompuls auf das Energiespeichermodul geschaltet bzw. geprägt und die daraus resultierende Spannungsantwort gemessen werden. Die Frequenz kann beispielsweise 2,5 kHz betragen.

Auch kann beispielsweise ein Schwingkreis vorgesehen sein, der Energie zwischen zwei Energiespeichermodulen hin und her schickt.

Vorzugsweise kann für jedes Energiespeichermodul ein individuelles Belastungsprofil erstellt werden, welches vorzugsweise während des Betriebs angepasst werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird aus den Daten ein digitales Abbild des Energiespeichermoduls erstellt.

Das digitale Abbild kann beispielsweise während des Stillstandes und/oder der ersten Fahrten erzeugt werden. Die Energiespeichermodule können im weiteren Verlauf so belasten werden, dass der Alterungszustand und/oder die Eigenschaften über unterschiedliche Belastungsprofile angeglichen werden.

Das digitale Abbild kann kontinuierlich an die aktuell ermittelten Daten angepasst werden.

Vorzugsweise kann eine künstliche Intelligenz (Kl) eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Kl lernen, welche Pulse optimal sind. Dies könnte bei Bedarf auch noch später beim Fahrzeughersteller nachjustiert werden. Mit Hilfe einer Kl könnte die Formation beispielsweise auch stets ein bisschen abgeändert werden, um dann im Laufe der Betriebsdauer des Energiespeichermoduls festzustellen, ob die Änderungen einen Unterschied gemacht haben. So könnte die Produktion Schritt für Schritt verbessert werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Energiespeichermodule beim Betrieb des Fahrzeugs abhängig von den bei der Formation und/oder Alterung ermittelten Daten geschalten.

Ein herkömmliches Zellmatching ist vorzugsweise nicht notwendig.

Durch das Multilevelconverter-System ist es möglich, die Energiespeichermodule während des Betriebs stets neu zu vermessen und/oder aufeinander abzustimmen. Auch können beispielsweise defekte Energiespeichermodule überbrückt werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen bestimmt somit nicht das schlechteste Energiespeichermodul die Gesamtleistung, da dieses überbrückt werden kann.

Beispielsweise kann der Preis des Fahrzeugs von der Energie der Energiespeichermodule abhängen, z.B. je nach kWh. Ferner ist es denkbar, dass der Endkunde bei qualitativ minderwertigen Energiespeichermodulen beispielsweise einen Ausgleich bzw. Bonus erhält. Dies kann auch später und/oder beim Laden erfolgen. So kann beispielsweise die Ladesäule erkennen, wie gut die verbauten Energiespeichermodule sind, und hieran z.B. den Preis pro kWh anpassen. Gerade unter Umweltgesichtspunkten ist es vorteilhaft, wenn selbst Energiespeichermodule mit niedriger Kapazität genutzt werden, selbst wenn dadurch die maximale Reichweite sinkt. Endkunden, welche ein entsprechendes Fahrzeug mit niedrigerer Reichweite nutzen, können z.B. einen Bonus und/oder eine Auszeichnung erhalten.

Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme wenigstens eines, vorzugsweise für ein Fahrzeug bestimmtes, Energiespeichermoduls.

Die Vorrichtung weist ein Multilevelconverter-System mit einer Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren auf, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel schaltbar, in Serie schaltbar und/oder überbrückbar ist und wenigstens eine Energiespeicherzelle aufweist. Ferner umfasst das Multilevelconverter-System eine Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart zu schalten, dass eine Formation und/oder eine Alterung während einer Lagerung, eines Transports zu einem Fahrzeug und/oder nach einem Einbau in einem Fahrzeug durchgeführt wird.

Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile der Vorrichtung sind vorzugsweise dazu ausgebildet, z.B. mittels der 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 mit paralleler Schaltung,

Fig. 5 eine Konfiguration einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC- Systems zur Formation und/oder Alterung von Energiespeichermodulen ohne paralleler Schaltung,

Fig. 6 eine Konfiguration einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zur Formation und/oder Alterung von Energiespeichermodulen, Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Pulsverteilung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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 Formation und/oder Alterung von Energiespeichermodulen 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.

Beispielhalft wird gezeigt, wie die ersten drei Spannungsstufen durch eine Parallelschaltung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gebildet werden können. Die Schaltung ist grundsätzlich auf eine beliebige Anzahl an Energiespeichermodulen erweiterbar.

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.

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. 4 bis 6 beispielhaft gezeigten Konfigurationen können zur Formation und/oder Alterung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 verwendet werden.

Abhängig von der Konfiguration können unterschiedliche Pulse erzeugt werden. Durch Messungen kann hierbei die Qualität der einzelnen Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 bestimmt werden.

Die Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 können dann entsprechend ihrer Qualität in einer geeigneten Konfiguration angeordnet werden.

Im Beispiel, welches in Fig. 5 dargestellt ist, ist das Energiespeichermodul 10 in der ersten Stufe alleine in die Konfiguration eingebunden 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.

Das Energiespeichermodul 10 kann z.B. eine hohe Qualität aufweisen und daher stets eingebunden sein. Das Energiespeichermodul 16 kann hingegen eine qualitativ minderwertige Qualität aufweisen, weshalb dieses kaum zum Einsatz kommt.

In Fig. 6 ist in der ersten Stufe das Energiespeichermodul 10 alleine und in den weiteren Stufen in Serie mit wenigstens einem der anderen Energiespeichermodulen 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. Abhängig von der Qualität der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 sind ebenso andere Konfigurationen denkbar.

In Fig. 7 ist ein mögliches Verfahren zur Inbetriebnahme wenigstens eines für ein Fahrzeug bestimmtes Energiespeichermoduls 10, 12 gezeigt.

In Schritt A wird ein Energiespeichermodul 10 produziert. In den Schritten B und C wird das Energiespeichermodul 10 mit einem Energiespeichermodul 12 über eine Leiterplatte 26, auf der ein MMC-System angeordnet ist, verbunden.

Sind die Energiespeichermodule 10, 12 verbunden, kann die Formation durchgeführt werden.

Anschließend erfolgt in Schritt D die Alterung. Diese kann beispielsweise während des Transports zum Fahrzeughersteller erfolgen.

Die Energiespeichermodule 10, 12 können beispielsweise zu einem in Schritt E dargestellten Energiespeichermodulsystem 28 zusammengefasst und in ein Fahrzeug eingebaut werden.

Im Fahrzeug selbst können die einzelnen Energiespeichermodule 10, 12 in Abhängigkeit von ihrer Qualität belastet werden.

Die Qualität der Energiespeichermodule 10, 12 kann auch während des Betriebs ermittelt werden. So kann eine neue Konfiguration gewählt werden, falls sich die Qualität der Energiespeichermodule 10, 12 ändert.

Die bei der Formation und/oder Alterung gewonnenen Daten zur Charakterisierung der Energiespeichermodule 10, 12 können beispielsweise für die nächste Produktion von Energiespeichermodulen genutzt werden.

Fig. 8 zeigt den Schritt C, d.h. die Formation.

Bei einem MMC als Dreipunktumrichter können verschiedene Pulse erzeugt werden.

So kann die Stromstärke I (in Ampere) über die Zeit t (in Sekunden) variieren. Beispielsweise kann sich die Stärke und/oder Dauer der Pulse ändern.

Vorzugsweise verhalten sich die Stromstärken der Pulse des Energiespeichermoduls 10 umgekehrt zu den Stromstärken der Pulse des Energiespeichermoduls 12. Bezuqszeichenliste

10, 12, 14, 16 Energiespeichermodul

18 Transistor 20 Sollspannung

22 Ausgangsspannung PWM-System

24 Stufe, Ausgangsspannung MMC-System

26 Leiterplatte

28 Energiespeichermodulsystem

A-E Verfahrensschritte

I Stromstärke t Zeit