System und Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Ansteuern einer

Energiespeichereinrichtung, insbesondere in einer Energiespeichereinrichtung mit modularem Batteriesystem zur Erzeugung einer stufigen Ausgangsspannung.

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.

Für derartige BDCs besteht ein Bedarf nach Ansteuerverfahren und AnSteuersystemen, mithilfe derer eine Steuerstrategie implementiert werden kann, die eine optimale

Einstellung der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis unter Minimierung der Systemverlustleistung, der Verlustleistungen in einzelnen Systemkomponenten und/oder der Stabilität der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis unabhängig vom

Ladezustand der Batteriezellen des BDCs gewährleistet.

Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Ansteuern einer 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 umfassen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken. Das Verfahren weist dabei die Schritte des Erfassens von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine, eines mit der elektrischen Maschine gekoppelten Pulswechselrichters und der Energiespeichereinrichtung, des Auswählens einer Anzahl von Energiespeichermodulen in Abhängigkeit von mindestens einem der erfassten Betriebsparameter, des Ansteuerns der Koppelelemente der

Koppeleinrichtungen der ausgewählten Energiespeichermodule zum Schalten der Energiespeicherzellenmodule der ausgewählten Energiespeichermodule in den

Energieversorgungsstrang, und des Bereitstellens einer Gesamtausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs für einen den Pulswechselrichter speisenden

Gleichspannungszwischenkreis auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein System, mit einer 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 umfassen, welche dazu ausgelegt sind, das Energiespeicherzellenmodul selektiv in den jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken. Das System weist weiterhin einen

Gleichspannungszwischenkreis, welcher mit der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, einen Pulswechselrichter, welcher mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, und welcher aus dem Gleichspannungszwischenkreis mit einer Eingangsspannung gespeist wird, eine elektrische Maschine, welche mit dem Pulswechselrichter gekoppelt ist, und welche von dem Pulswechselrichter mit einer Phasenspannung versorgt wird, und einer Steuereinrichtung auf, welche mit den Koppeleinrichtungen gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßen Verfahren zum Ansteuern der

Energiespeichereinrichtung durchzuführen.

Vorteile der Erfindung

Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichereinrichtung, die über modular in einem Strang aus seriell verschalteten Batteriezellen verfügt, derart anzusteuern, dass die Zwischenkreisspannung eines durch die Energiespeichereinrichtung gespeisten Gleichspannungszwischenkreis optimiert wird, insbesondere im Hinblick auf die

Verlustleistung im gesamten System, in einzelnen Systemkomponenten oder den Ladungszustand der Batteriezellen der Energiespeichereinrichtung. Dies kann über die Erfassung verschiedener relevanter Betriebsparameter im System und in den

Systemkomponenten geschehen, deren Auswertung eine Auswahl einer geeigneten Anzahl von zuzuschaltenden Batteriezellen und damit das Einstellen einer geeigneten Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung ermöglicht.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Erfassen von Betriebsparametern das Erfassen der Drehzahl der elektrischen Maschine und des Drehmoments der elektrischen Maschine umfassen, und das Auswählen der Anzahl von Energiespeichermodulen in Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl und des erfassten Drehmoments erfolgen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Erfassen von Betriebsparametern das Erfassen des Ladungszustands der

Energiespeicherzellen umfassen, und das Auswählen der Anzahl von

Energiespeichermodulen in Abhängigkeit von dem Ladungszustand erfolgen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Auswählen einer Anzahl von Energiespeichermodulen durch Ermitteln einer

vorgegebenen Anzahl von Energiespeichermodulen in einem von der erfassten Drehzahl und des erfassten Drehmoments aufgespannten Kennfeld erfolgen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin die Schritte des Erfassens eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine, und des Begrenzens der ausgewählten Anzahl von Energiespeichermodulen auf eine Maximalanzahl in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsmodus aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems können die

Koppeleinrichtungen Leistungs-MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen.

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

Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der

vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines

Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ; eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Energiespeichermoduls einer Energiespeichereinrichtung nach Fig. 1 ; eine schematische Darstellung eines Diagramms für den Wirkungsgrad einer Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit von der Anzahl zugeschalteter Energiespeichermodule; eine schematische Darstellung eines Diagramms für die Verlustleistung in einem System mit einer Energiespeichereinrichtung in Abhängigkeit von der Anzahl zugeschalteter Energiespeichermodule; eine schematische Darstellung eines Kennfelds für die verlustoptimale Anzahl zugeschalteter Energiespeichermodule einer

Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung 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 1a 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 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 - n - U _M ,...,0,...,+n ^■ U _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.

Im Bereich niedriger Drehzahlen der elektrischen Maschine 6 wird üblicherweise nicht die volle Spannung am der elektrischen Maschine 6 benötigt. Daher ist es ausreichend, die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 2b auf einen entsprechend niedrigeren Wert einzustellen. Der niedrigere Wert kann beispielsweise durch entsprechende Auswahl einer verringerten Anzahl von Energiespeichermodulen 3 in der

Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen. Dies führt zum einen dazu, dass die Schaltverluste in dem Pulswechselrichter 4, die zum Beispiel durch das Schalten von IGBT-Schaltern in dem Pulswechselrichter 4 und entsprechende Freilaufströme in den den IGBT-Schaltern zugeordneten Dioden erzeugt werden, verringert werden, da diese Verluste näherungsweise mit der anliegenden Eingangsspannung an dem Pulswechselrichter 4 skalieren. Zum anderen können

Wirbelstromverluste in der elektrischen Maschine 6 verringert werden, da das Auftreten von Wrbelströmen maßgeblich vom Oberwellengehalt der Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 abhängig ist. Zudem sinken die

Wechselspannungsverluste in den Wcklungen der elektrischen Maschine 6 aufgrund dieser Gesetzmäßigkeit.

Demgegenüber stehen erhöhte Leitverluste in der Energiespeichereinrichtung 1 , da der Gleichstromanteil in der Energiespeichereinrichtung 1 mit verringerter Anzahl an zugeschalteten Energiespeichermodulen 1 zunimmt. Da der Gleichstromanteil quadratisch in die Berechnung der Leitverluste in der Energiespeichereinrichtung 1 eingeht, werden die Verluste an den Energiespeicherzellenmodulen 5 mit abnehmender Anzahl von zugeschalteten Energiespeichermodulen 3 steigen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms 40 für den Wirkungsgrad η einer Energiespeichereinrichtung 1 in Abhängigkeit von der Anzahl N zugeschalteter Energiespeichermodule 3. In dem Diagramm 40 sind zwei Kennlinien 41 und 42 für verschiedene Betriebsparameter des Systems 100 in qualitativer Form eingetragen.

Beispielhaft wird ein bestimmter Ladungszustand aller Energiespeicherzellen 5a bis 5k angenommen, sowie eine von der elektrischen Maschine 6 beanspruchte Last. Die

Kennlinie 41 zeigt nun die Abnahme des Wirkungsgrads η mit steigender Anzahl N von zugeschalteten Energiespeichermodulen 3 bei geringer Drehzahl D der elektrischen Maschine 6. Beispielsweise kann die Drehzahl D für die Kennlinie 41 etwa 500 U/min betragen. Umgekehrt zeigt die Kennlinie 42 die Zunahme des Wirkungsgrads η mit steigender Anzahl N von zugeschalteten Energiespeichermodulen 3 bei hoher Drehzahl D der elektrischen Maschine 6. Beispielsweise kann die Drehzahl D für die Kennlinie 42 etwa 10000 U/min betragen.

In ähnlicher Weise zeigt Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Diagramms 50 für die Verlustleistung P in einem System 100 mit einer Energiespeichereinrichtung 1 in

Abhängigkeit von der Anzahl N zugeschalteter Energiespeichermodule 3. Die Kennlinie 52 zeigt beispielhaft die Schaltverluste des Pulswechselrichters 4, die mit steigender Anzahl der zugeschalteten Energiespeichermodule 3 zunehmen. Dagegen zeigt die Kennlinie 51 die Schaltverluste innerhalb der Energiespeichereinrichtung 1 , die mit zunehmender Anzahl an zugeschalteten Energiespeichermodule 3 abnehmen, da die Strombelastung auf die Koppeleinrichtungen der einzelnen Energiespeichermodule 3 durch die Verteilung auf mehrere Energiespeichermodule 3 insgesamt sinkt. Die Kennlinie 53 zeigt eine beispielhafte Gesamtschaltverlustkurve, die unter anderem von der Summe der Kennlinien 51 und 52 abhängig ist. Diese Kennlinie 53 weist ein Minimum bei einer bestimmten Anzahl N von Energiespeichermodulen 3 auf, bei der die Summe aller Verlustleistungen in dem System 100 minimal ist. Aus diesem Verhalten lässt sich eine erste Ansteuerstrategie für die

Energiespeichereinrichtung 1 ableiten, indem zur Minimierung der Systemverlustleistung bzw. zur Optimierung des Systemwirkungsgrads jeweils in Abhängigkeit von momentaner Drehzahl D, momentaner Last der elektrischen Maschine 6 und/oder des

Ladungszustands der Energiespeicherzellen 5a bis 5k eine optimale Anzahl von zuzuschaltenden Energiespeichermodulen 3 in den Energieversorgungsstrang der Energiespeichereinrichtung 1 ausgewählt wird.

Fig. 6 zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Kennfelds 60 für die

verlustoptimale Anzahl zugeschalteter Energiespeichermodule 3 einer

Energiespeichereinrichtung 1. Das Kennfeld 60 kann beispielsweise in Abhängigkeit der beiden Systemparameter Drehzahl D und Drehmoment M (d.h. Leistungsaufnahme) der elektrischen Maschine 6 gebildet werden. Für jeden Punkt des Kennfelds 60 kann dabei eine optimale Anzahl von zuzuschaltenden Energiespeichermodulen 3 in den

Energieversorgungsstrang der Energiespeichereinrichtung 1 ermittelt werden. Beispielhaft sind vier Bereiche 61 , 62, 63 und 64 in dem Kennfeld 60 eingetragen. Zum Beispiel kann es in dem Bereich 61 optimal sein, lediglich zwei Energiespeichermodule 3 zuzuschalten, während es in dem Bereich 64 optimal ist, vier Energiespeichermodule 3 zuzuschalten. Es versteht sich dabei, dass die Darstellung in Fig. 6 nur beispielhafter Natur ist, und tatsächliche Kennfeldlinien von der gewählten Illustration abweichen können.

Zur Bestimmung der Kennfeldlinien 61 bis 64 im Vorfeld können Simulationen

durchgeführt werden oder anhand von Messungen das Kennfeld gerastert werden. Das ermittelte Kennfeld 60 mit der entsprechenden Ansteuerstrategie kann dann

beispielsweise in der Steuereinrichtung 8 der Fig. 1 gespeichert werden.

Es kann auch möglich sein, in der Steuereinrichtung 8 ein Verlustmodell in Form von funktionalen Beziehungen zwischen Betriebsparametern des Systems 100 einzurichten, so dass die Berechnung der optimal zuzuschaltenden Energiespeichermodule 3 in der Steuereinrichtung 8 zur Laufzeit des Systems 100, das heißt online durchgeführt werden kann. Zur Ermittlung der Betriebsparameter des Systems 100 kann die Steuereinrichtung 8 beispielsweise über Sensoreinrichtung oder Messeinrichtungen die Betriebsparameter der jeweiligen Systemkomponenten, zum Beispiel der Energiespeichereinrichtung 1 , des Pulswechselrichters 4 und/oder der elektrischen Maschine 6 bestimmen.

Ein weiteres Kriterium bei der Auswahl der zuzuschaltenden Energiespeichermodule 3 kann die Einstellung einer Spannungsstabilisierung der Spannung in dem

Gleichspannungszwischenkreis 2b sein. Dies kann insofern vorteilhaft sein, da sich die Auslegung der elektrischen Maschine 6 an der minimalen Eingangsspannung orientiert. Bei vollständig entladenen Energiespeicherzellen 5a bis 5k beträgt die

Ausgangsspannung einer einzelnen Energiespeicherzelle lediglich etwa 60% der maximal möglichen Nennspannung. Wenn die elektrische Maschine 6 für eine niedrigere minimale Spannungslage ausgelegt wird, werden üblicherweise weniger Windungen vorgesehen, um die induzierte Polradspannung gering zu halten.

Wenn die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 jedoch auf einem konstanten, insbesondere höheren Niveau gehalten werden kann, muss die

Windungszahl der elektrischen Maschine 6 nicht verringert werden bzw. die elektrische Maschine 6 kann für eine höhere minimale Spannungslage ausgelegt werden. Dadurch sinkt auch die Strombelastung auf die Energiespeichereinrichtung 1 , den

Pulswechselrichter 4 und alle sonstigen elektrischen Verbindungskomponenten wie Stecker, Zuleitungen, Anschlüsse und dergleichen. Zusätzlich kann der Übergang vom Grundbereich in den Feldschwächbereich der elektrischen Maschine 6 unabhängig vom Ladungszustand der Energiespeichereinrichtung 1 gehalten werden. Außerdem ist die Spannungsspreizung der Komponenten, die von dem Gleichspannungszwischenkreis 2b gespeist werden, zum Beispiel Bordnetzspannungswandler oder ähnliche Komponenten, gering, so dass die Auslegung dieser Komponenten einfacher bzw. effizienter gestaltet werden kann.

Daher besteht eine zweite Ansteuerstrategie für die Energiespeichereinrichtung 1 darin, dass zur Stabilisierung der Spannungslage in dem Gleichspannungszwischenkreis 2b in Abhängigkeit von dem Ladungszustand der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in den Energiespeichermodulen 3 eine optimale Anzahl von zuzuschaltenden

Energiespeichermodulen 3 in den Energieversorgungsstrang der

Energiespeichereinrichtung 1 ausgewählt wird, so dass die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 mit Bezug auf den Ladungszustand der

Energiespeichermodule 3 konstant bleibt. Um auch bei niedrigem Ladungszustand der Energiespeichermodule 3 eine konstante (hohe) Spannung anbieten zu können, kann dazu die Anzahl der Energiespeichermodule 3 höher gewählt werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Energiespeichermodule 3 derart gewählt werden, dass bei vollem Ladungszustand aller Energiespeichermodule 3 die Gesamtausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung 1 höher als für den Betrieb des Pulswechselrichters 4 nötig bzw. zulässig ist. Dadurch kann mit abnehmendem Ladungszustand der

Energiespeichermodule 3 die Zahl der zuzuschaltenden Energiespeichermodule 3 sukzessive um die in Reserve vorgehaltenen Energiespeichermodule 3 erhöht werden. Schließlich bringt das Abschalten von Energiespeichermodulen 3 in Betriebsmodi der elektrischen Maschine 6, in denen nur ein niedrige Eingangsspannung bzw. ein geringe Drehzahl benötigt wird, Vorteil bezüglich der Schaltverluste in dem Pulswechselrichter 4. Beispielsweise ist in Elektrofahrzeugen ein Betriebsmodus, in dem der elektrische Motor 6 eine geringe Drehzahl aufweist, das Anfahren an einer Steigung. In diesen Betriebsmodi begrenzt der Pulswechselrichter 4 den zulässigen maximalen Phasenstrom.

Eine dritte Ansteuerstrategie besteht also darin, die Anzahl der zuzuschaltenden

Energiespeichermodule 3 in vorgegebenen Betriebsmodi der elektrischen Maschine 6 so zu begrenzen, dass die Eingangsspannung an dem Pulswechselrichter 4 so weit verringert wird, dass dieser den zulässigen maximalen Phasenstrom nicht mehr begrenzt. Dadurch sinken die Schaltverluste insbesondere in dem Pulswechselrichter 4, was in Konsequenz zu einer verbesserten Auslegung der elektrischen Maschine 6 führt, da die axiale Länge der elektrischen Maschine 6 für die Realisierung eines ausreichend hohen Drehmoments, beispielsweise für das Anfahren am Berg, nicht mehr an den begrenzten Phasenstrom des Pulswechselrichters 4 angepasst werden muss.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 70 zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung, beispielsweise der Energiespeichereinrichtung 1 in Fig. 1. Das Verfahren 70 kann dabei beispielsweise durch die Steuereinrichtung 8 in Fig. 1 implementiert werden. In dem Verfahren werden die weiter oben erläuterten drei

Ansteuerstrategien berücksichtigt. Dazu kann die Steuereinrichtung 8 über

Erfassungsleitungen 8a, 8b und 8c verfügen, mit welchen die Steuereinrichtung 8 mit den Energiespeichermodulen 3, dem Pulswechselrichter 4 und der elektrischen Maschine 6 verbunden sind, und über welche Betriebsparameter der jeweiligen Komponenten erfasst werden können.

Das Verfahren 70 kann als ersten Schritt 71 ein Erfassen von Betriebsparametern einer elektrischen Maschine, eines mit der elektrischen Maschine gekoppelten Pulswechselrichters und der Energiespeichereinrichtung 1 aufweisen. Die Betriebsparameter können dabei die Drehzahl der elektrischen Maschine und das Drehmoment der elektrischen Maschine umfassen. Weiterhin kann als Betriebsparameter der Ladungszustand der Energiespeicherzellen der Energiespeichereinrichtung 1 erfasst werden.

In einem zweiten Schritt 72 erfolgt ein Auswählen einer Anzahl von

Energiespeichermodulen in Abhängigkeit von mindestens einem der erfassten

Betriebsparameter, woraufhin in einem Schritt 73 ein Ansteuern der Koppelelemente der Koppeleinrichtungen der ausgewählten Energiespeichermodule zum Schalten der Energiespeicherzellenmodule der ausgewählten Energiespeichermodule in den

Energieversorgungsstrang erfolgt. Dadurch kann in Schritt 74 ein Bereitstellen einer Gesamtausgangsspannung des Energieversorgungsstrangs für einen den

Pulswechselrichter speisenden Gleichspannungszwischenkreis erfolgen.

Optional können weiterhin ein Erfassen eines Betriebsmodus der elektrischen Maschine und ein Begrenzen der ausgewählten Anzahl von Energiespeichermodulen auf eine Maximalanzahl in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsmodus erfolgen. Dies ist insbesondere bei speziellen Betriebsmodi, wie beispielsweise einem Betriebsmodus mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment der elektrischen Maschine von Vorteil. Das Begrenzen der Maximalanzahl kann gegenüber der in Schritt 72 erfolgten Auswählen der Anzahl von Energiespeichermodulen priorisiert werden, das heißt, die Anzahl von Energiespeichermodulen wird über eine Maximumsfunktion in Abhängigkeit von dem erfassten Betriebsmodus gedeckelt.