WO2019076480A1 - Laden eines energiespeichers - Google Patents

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Stefan GÖTZ
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Definitions

  • Energy storage elements selectively switch in parallel or in series with each other or a respective energy storage element or a respective energy storage module
  • a development of the method provides that the respective energy storage modules in a respective energy storage strand by appropriately switching the
  • Switching elements of the energy storage modules are connected in series or in each case in parallel or at least partially in series and partially in parallel. Thereby can, depending on the energy source used, intermediate voltages between the sum of the module voltages of all energy storage modules of an energy storage circuit and the module voltage of a single energy storage module can be set to a power line. As a result, mixing circuits are possible, creating a
  • a refinement of the device is characterized in that the energy source for providing the charging voltage is connected directly to terminals of the energy store or to terminals of the electrical machine.
  • Another embodiment of the device is characterized in that at least two energy storage strands are connected in series with each other or that the at least three energy storage strands are connected in parallel to each other.
  • Embodiment of the charging process in the high-voltage range done.
  • Such a respective switch module u-S, v-S, w-S may, for example, be a MOSFET.
  • the MOSFET reduces the shown double tap of the modules u-1, v-1, w-1 to a tap.
  • the respective modules u-1 to u-5 and u-S, v-1 to v-5 and v-S, w-1 to w-5 and w-S are respectively connected in parallel within their respective strings.
  • the strands u, v, w or the battery 14b are electrically connected to a motor 20 via a respective connection 18-u, 18-v, 18-w.
  • the motor 20 corresponds to the motor 20 shown in the figures described above and has three winding or
  • the embodiment shown in FIG. 6b also has a transformer 24 downstream of the alternating voltage source 12b. This will be the
  • the battery 14c has two additional switches SSP1 and SSP2 for the components already described in relation to the batteries 14a and 14b.
  • the switch SSPl is arranged between the strand u and the strand v.
  • Phase shift by 120 ° of the respective phases LI, L2, L3 is the value of the voltage applied to the motor 20 vectorial sum of the voltages in any case 0V. Therefore, the motor 20 does not necessarily need to be disconnected from the battery 14c during the charging process
  • the circuit diagram 101 of Figure 9a shows the battery 14b, as has already been described in Figures 6 and 7.
  • the charger 12c and the phases LI, L2, L3 are electrically connected to the battery 14b via the terminals 18-w, 18-v and 18-u.
  • the phase LI is electrically connected to the terminal 18-u, the phase L2 to the terminal 18-v and the phase L3 to the terminal 18-w.
  • the circuit diagram 10 ⁇ shown in FIG. 9c essentially shows and corresponds to the circuit diagram 101 of FIG. 9a, the battery 14b being replaced by the already described battery 14a, which has no switch modules uS, vS and wS. In this respect, in this embodiment, the charging of the battery 14a via parallel-connected strands u, v, w.
  • the circuit diagram shown in Figure 9d differs from the circuit diagram 10 ⁇ of Figure 9c only in that the charger 12c, the transformer 25 is connected downstream of the galvanic isolation.
  • Embodiments are shown in which the battery 14c is electrically connected to two voltage sources 12a, 12b, 12c.
  • Energy storage modules of energy storage strings u, v, w are each connected in parallel.
  • the switches SSP1 and SSP2 disconnect the star point of the battery 14c as described above.
  • Switch controller 48 has closed switch S9, thereby connecting vehicle electrical system 12d to battery 14d, and switches S1 and S2 are opened so that respective strings of motor 20 are disconnected from battery 14d.
  • the switches S5, S6 and S7 are connected to connect the phase terminals LI, L2 and L3 to the respective strings u, v, w of the battery 14d.
  • the switch S5 connects the terminal LI to the bank u of the battery 14d
  • the switch S6 connects the terminal L2 to the bank v of the battery 14d
  • the switch S7 connects the terminal L3 to the bank w of the battery 14d
  • the switch S4 is switched so that the terminal N is connected to the negative pole of the electrical system 12d, whereby the circuit is closed.
  • the current is thus taken over the phases LI, L2, L3 and the neutral or zero conductor. In this configuration, the battery 14d can now be charged three-phase.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers bei dem ein Energiespeicher verwendet wird, der mindestens drei Energiespeicherstränge mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher elektrisch mit einer eine Ladespannung bereitstellenden Energiequelle und einer elektrischen Maschine verbunden wird und die Energiespeichermodule von der Energiequelle mit Energie versorgt werden, wobei frei wählbar eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle als Energiequelle verwendet wird und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule eines Energiespeicherstrangs jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens ein Energiespeichermodul mindestens eines Energiespeicherstrangs überbrückt wird, an Eigenschaften der gewählten Energiequelle angepasst wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Laden eines Energiespeichers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines
Energiespeichers, insbesondere einer Batterie eines Fahrzeugs, sowie ein
entsprechendes Fahrzeug.
Um unabhängig bzw. unabhängiger von fossilen Brennstoffen zu werden, werden in modernen Fahrzeugen zunehmend elektrische Motoren verbaut, die selbständig das Fahrzeug antreiben oder einen vorhandenen Verbrennungsmotor unterstützen. Die elektrischen Motoren bzw. Elektromotoren werden üblicherweise von einer oder mehreren Batterien mit Energie versorgt. Diese Batterien müssen, nachdem ihr
Energievorrat aufgebraucht ist, geladen werden.
Aus der DE 10 2013 212 692 AI ist ein System mit einer Energiespeichereinrichtung und einer Gleichspannungsversorgungsschaltung bekannt, wobei die
Energiespeichereinrichtung mindestens zwei Energieversorgungszweige aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige eine Vielzahl von in Serie geschalteten
Energiespeichermodulen aufweist. Über zwei in Reihe zu Speiseknoten geschalteten Ladeschaltungsanschlüssen der Gleichspannungsversorgungsschaltung kann eine Ladeschaltung angeschlossen werden. Die Ladeschaltung kann an ihren
Ladeschaltungsanschlüssen mit einem Strom belastet und dazu ausgelegt sein, eine Ladegleichspannung bzw. eine pulsierende Ladespannung mit definiertem Mittelwert für die Energiespeichermodule der Energiespeichereinrichtung bereitzustellen. Aus der DE 10 2013 212 682 AI und der DE 10 2013 212 716 AI sind ähnliche Systeme bekannt, die das Laden von Batteriemodulen betreffen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme stellen eine Gleichspannung als Ladespannung für den Energiespeicher zur Verfügung. Dies beschränkt die
Lademöglichkeiten des Energiespeichers. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, wenigstens einen der Nachteile des Stands der Technik zu adressieren. Insbesondere soll wenigstens eine Möglichkeit angegeben werden, die ein von einer bestimmten vorgegebenen Energiequelle unabhängiges Laden des Energiespeichers ermöglicht. Zumindest soll zu bekannten Lösungen eine Alternative vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere jeweilige Ausgestaltungen sind den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers
vorgeschlagen, bei dem ein Energiespeicher geladen wird, der mehrere, vorzugsweise mindestens drei Energiespeicherstränge mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule mindestens ein
Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher elektrisch mit der eine Ladespannung bereitstellenden Energiequelle und einer elektrischen
Maschine verbunden wird und die Energiespeichermodule von der Energiequelle mit Energie versorgt werden, wobei frei wählbar eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle als Energiequelle verwendet wird und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule bzw. deren jeweilige Energiespeicherelemente eines Energiespeicherstrangs jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens eines der
Energiespeichermodule gebypasst, d. h. überbrückt wird, an Eigenschaften der gewählten Energiequelle angepasst wird.
Bei einer Bypass-Schaltung wird der Strom an dem jeweiligen Energiespeicherelement eines Energiespeichermoduls vorbeigeführt, so dass kein Strom durch das
Energiespeicherelement hindurchfließt. Das Energiespeicherelement wird dadurch überbrückt. Dadurch, dass der Energiespeicher an die jeweilige Energiequelle oder Energieversorgungseinrichtung angepasst wird, ist der Energiespeicher von vorhandenen Energiequellen unabhängig, d. h. er ist nicht auf eine bestimmte Art von Energiequelle angewiesen. Vielmehr kann der Energiespeicher mit jeder im Moment, in dem der Energiespeicher zu laden ist, verfügbaren Energiequelle geladen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Energiespeicher als Energiesenke in der jeweiligen
Ladeschaltung ausgebildet wird. Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 112 512 AI der Anmelderin, die hierin unter Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird, offenbart ein die vorliegende Erfindung ermöglichendes Energiespeichermodul. Mehrere solcher Energiespeichermodule bilden einen Energiespeicherstrang und mehrere solcher Energiespeicherstränge bilden den Energiespeicher. Vorzugsweise weist der Energiespeicher drei Energiespeicherstränge auf. Eine andere Anzahl von Energiespeichersträngen ist aber auch möglich. Drei Energiespeicherstränge haben den Vorteil, dass dadurch der Energiespeicher auf einfache Weise mit einem bekannten dreiphasigen Drehstromnetz verbunden und dadurch geladen werden kann. Die besondere Ausgestaltung des Energiespeichers bzw. der Energiespeichermodule ermöglicht ein freies Verschalten der einzelnen Energiespeichermodule eines
Energiespeicherstrangs untereinander. Dadurch ist der Energiespeicher an die jeweilige gewählte Energiequelle anpassbar, sodass sowohl Gleichspannungsquellen als auch Wechselspannungsquellen als geeignete Energiequelle in Frage kommen. Darüber hinaus können fehlerbehaftete Energiespeichermodule überbrückt oder Zwischenspannungen realisiert werden. Ein Einzelmodul gemäß der o. g. Patentanmeldung der Anmelderin ermöglicht sogenannte Zwei- und Vier-Quadranten-Module, die jeweils eine Vielzahl von Verschaltungsmöglichkeiten und zumindest die Vier-Quadranten-Module verschiedene Polaritätsrichtungen zulassen. Das Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass als Energiespeicher eine Wechselstrombatterie verwendet wird. Eine Wechselstrombatterie wird beispielsweise ermöglicht durch eine Verschaltung von Einzelmodulen, die jeweils in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2015 112 512 AI , DE 10 2015 112 513 AI und DE 10 2016 112 250 AI der Anmelderin und ferner auch in den Druckschriften DE 10 2011 108 920 AI und DE 10 2010 052 934 AI und insbesondere auch in S. Goetz, A.
Peterchev, T. Weyh (2015), Modular multilevel Converter with series and parallel module Connectivity: Topology and control, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no.l , pp 203-215, doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 offenbart sind. Die Einzelmodule, die in der vorliegenden Offenbarung Energiespeichermodule genannt werden, weisen dazu mindestens ein Energiespeicherelement, wie bspw. eine Batterie oder einen
Kondensator, und mehrere Schaltelemente auf. Die Schaltelemente sind dabei in den jeweiligen Modulen so angeordnet, dass sie eine dynamische Umschaltung benachbarter Module erlauben. Das heißt, dass die mehrere Schaltelemente benachbarte
Energiespeicherelemente wahlweise parallel oder in Reihe zueinander schalten oder ein jeweiliges Energiespeicherelement bzw. ein jeweiliges Energiespeichermodul
überbrücken oder deaktivieren. Dadurch, dass die dazu benötigten Schaltelemente in einem jeweiligen Modul angeordnet sind, kann eine Ansteuerung der Schaltelemente mit einem minimalen Potentialunterschied zwischen den Schaltelementen erfolgen. Das erlaubt, dass die Ansteuerung bzw. Aktivierung der Schaltelemente akkurat gleichzeitig erfolgen kann. Durch die akkurate Schaltung und die Möglichkeit, benachbarte Module in Reihe oder parallel zueinander zu schalten, kann eine solche Batterie im Betrieb dynamisch umkonfiguriert werden, so dass die Batterie Gleichspannung,
Wechselspannung oder andere Spannungsformen bereitstellen kann. Das heißt im
Umkehrschluss aber auch, dass die Batterie mit Gleichspannung, Wechselspannung oder anderen Spannungsformen geladen werden kann.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die jeweiligen Energiespeichermodule in einem jeweiligen Energiespeicherstrang durch entsprechendes Schalten der
Schaltelemente der Energiespeichermodule jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet werden. Dadurch können, je nach verwendeter Energiequelle, Zwischenspannungen zwischen der Summe der Modulspannungen aller Energiespeichermodule eines Energiespeicherstrangs und der Modulspannung eines einzelnen Energiespeichermoduls an einem Energiestrang eingestellt werden. Dadurch sind auch Mischschaltungen möglich, wodurch eine
Stromverteilung und eine Spannungsanpassung realisiert werden können.
Eine Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Energiespeicherstränge in Reihe geschaltet werden. Das ist vorteilhaft, da dadurch die elektrische Maschine als eine Art Verteiler des Stroms verwendet werden kann.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Energiespeicherstränge jeweils parallel zueinander geschaltet werden. Dadurch kann in jedem einzelnen Energiespeicherstrang die Spannung entsprechend der Verschaltung der Energiespeichermodule angepasst werden.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule einphasig oder dreiphasig geladen werden. Dadurch bieten sich weitere Möglichkeiten des Ladens des Energiespeichers. Eine noch andere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule über einen gemeinsamen Sternpunkt des Energiespeichers geladen werden. Dadurch kann die Ladespannung zentral, nämlich über den Sternpunkt, in den Energiespeicher bzw. in die Batterie eingespeist werden. Eine noch weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückleitung der elektrischen Verbindung von dem Energiespeicher zur Energiequelle über einen Sternpunkt der elektrischen Maschine geschaltet wird. Dadurch muss die elektrische Maschine nicht von dem Energiespeicher während des Ladevorgangs elektrisch getrennt werden. Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass im Falle, dass als Energiequelle eine Wechselspannungsquelle verwendet wird, die Wechselspannungsquelle von dem Energiespeicher galvanisch getrennt oder alternativ dazu nicht galvanisch getrennt wird. Eine galvanische Trennung bietet eine höhere Sicherheit. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass für eine solche Sicherheitseinrichtung nicht immer eine Notwendigkeit besteht.
Eine Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein
Ausgangsanschluss der Energiequelle unmittelbar mit einem Eingangsanschluss des Energiespeichers elektrisch verbunden wird. Dadurch werden mögliche Verluste in zusätzlichen elektrischen Bauteilen verhindert.
Eine andere Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Ausgangsanschluss der Energiequelle mit einem Anschluss der elektrischen Maschine elektrisch verbunden wird. Dadurch ergeben sich entsprechend der Ausgestaltung der elektrischen Maschine weitere Lademöglichkeiten zum Laden des Energiespeichers.
Des Weiteren schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers vor, mit einer Energiequelle, die eine Ladespannung bereitstellt, einem Energiespeicher und einer elektrischen Maschine, bei der der Energiespeicher mit der Energiequelle und mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, wobei der Energiespeicher mehrere, vorzugsweise mindestens drei Energiespeicherstränge mit mehreren
Energiespeichermodulen aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule mindestens eine Energiespeicherzelle bzw. ein Energiespeicherelement, die bzw. das dazu ausgebildet ist, von der Energiequelle Energie zu empfangen und zu speichern, und mindestens zwei Schaltelemente aufweist, wobei die Energiequelle eine
Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle umfasst und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen
Energiespeichermodule bzw. deren jeweilige Energiespeicherzellen eines
Energiespeicherstrangs jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander zu schalten sind und/oder mindestens ein Energiespeichermodul eines Energiespeicherstrangs gebypasst wird bzw. zu überbrücken ist, an die jeweilige gewählte Energiequelle anpassbar ist.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle zum Bereitstellen der Ladespannung unmittelbar mit Anschlüssen des Energiespeichers oder mit Anschlüssen der elektrischen Maschine verbunden ist.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Energiespeichermodule in einem jeweiligen Energiespeicherstrang durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente der Energiespeichermodule jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet sind.
Eine andere Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Energiespeicherstränge in Reihe zueinander geschaltet sind oder dass die mindestens drei Energiespeicherstränge parallel zueinander geschaltet sind.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Fig. 1 zeigt ein erstes Schaltbild gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 2 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 3 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 4 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 5 zeigt ein weiteres Schaltbild gemäß einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers, Fig. 6a und 6b zeigen weitere Schaltbilder gemäß Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 7a und 7b zeigen weitere Schaltbilder gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 8a und 8b zeigen weitere Schaltbilder gemäß anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 9a bis 9d zeigen weitere Schaltbilder gemäß noch weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers, Fig. 10a bis lOf zeigen weitere Schaltbilder gemäß noch anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 11 zeigt ein Systemschaltbild zum Laden eines Energiespeichers,
Fig. 12a bis 12d zeigen Betriebsfunktionen des Systemschaltbilds der Figur 11.
Das in Figur 1 gezeigte Schaltbild 10a zeigt eine Energiequelle 12a. Die Energiequelle 12a ist ein Ladegerät 12a zum Laden eines Energiespeichers 14a. Das Ladegerät 12a ist in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform als Gleichspannungsquelle ausgebildet und in Form eines mit einer hier nicht gezeigten Wechselspannungsquelle verbundenen Gleichrichters dargestellt. Das Ladegerät 12a stellt eine Ladespannung zur Verfügung.
Der Energiespeicher 14a ist in Form einer Wechselstrombatterie ausgebildet. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Anmeldung die Begriffe
„Energiespeicher",„Batterie" und„Wechselstrombatterie" gleichbedeutend verwendet werden.
Die Batterie 14a weist drei Energiespeicherstränge u, v und w auf, die mit gestrichelter Linienführung jeweils umrandet sind. Insofern können die Energiespeicherstränge u, v, w jeweils auch als Batteriestrang oder schlicht als Strang bezeichnet werden. Die Stränge u, v, und w können auch als Phasenstränge der Batterie 14a bezeichnet werden.
Jeder einzelne Strang u, v, w weist mehrere Energiespeichermodule u-1 bis u-5, bzw. v-1 bis v-5, bzw. w-1 bis w-5 auf. Die Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, u-1 bis u-5 weisen jeweils eine Struktur auf, die in der o.g. Patentanmeldung der Anmelderin offenbart wurde.
Obwohl in der hier gezeigten Ausführungsform jeder Strang u, v, w jeweils fünf Module u- 1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 aufweist, soll verstanden werden, dass die Anzahl der Module in dieser Ausführungsform und den nachfolgend noch zu beschreibenden Ausführungsformen beliebig sein kann, so dass jeder Strang u, v, w jeweils u-n, v-n, w-n Module aufweisen kann, wobei n einer beliebigen natürlichen Zahl entspricht.
Über einen ersten Anschluss 16 ist ein positiver Pol des Ladegeräts 12a mit dem
Energiespeicher bzw. der Batterie 14a elektrisch verbunden und über einen zweiten Anschluss 17 ist ein negativer Pol des Ladegeräts 12a mit der Batterie 14a elektrisch verbunden. Über jeweilige Anschlüsse 18-u, 18-v und 18-w ist jeder Strang u, v, w jeweils mit einer elektrischen Maschine 20 elektrisch verbunden. Die elektrische Maschine 20 kann bspw. ein Motor bzw. ein Elektromotor sein. Der Motor
20 weist mindestens drei Wicklungen 21 bzw. Wicklungsanschlüsse auf. Jede Wicklung
21 ist dabei einzeln mit einem Anschluss 18 der Batterie 14a elektrisch verbunden. Die jeweiligen Abschnitte des Motors 20, die jeweils eine Wicklung 21 aufweisen, werden auch als Wicklungsstränge oder Phasenstränge bzw. Phasen des Motors bezeichnet.
Für den Ladevorgang der Batterie 14a sind in der hier gezeigten Ausführungsform die Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 in einem Strang u, v, w jeweils alle parallelgeschaltet. Auch die Stränge u, v, w sind parallelgeschaltet. An einer mit„T" gekennzeichneten Stelle 19 sind die Leitungen der Stränge u, v, w jeweils getrennt, um einen Kurzschluss zu verhindern. Dies wird z. B. durch ein in dem jeweiligen Modul u-5, v-5 und w-5 verbauten MOSFET erzielt.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform entspricht die Gleichstromladespannung gleich der Modulspannung eines Moduls u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, w-1 bis w-5. Die einzelne Modulspannung ist dabei vorzugsweise kleiner als 60 V Gleichstrom.
Bei diesem Verfahren zum Laden der Batterie 14a ist der Ladestrom entsprechend hoch, weil die Ladespannung vergleichsweise klein ist. Ein Vorteil dieser Schaltung ist, dass der Motor 20 nicht von dem Energiespeicher 14a getrennt werden muss bzw. nicht abgeschaltet werden muss, da durch den Motor 20 bei dieser Ladestrategie kein Strom fließt.
Das in Figur 2 gezeigte Schaltbild 10b zeigt die Energiequelle 12a bzw. Ladegerät 12a, den Energiespeicher 14a bzw. Batterie 14a und die elektrische Maschine 20 bzw. Motor 20. Die Batterie 14a entspricht der Batterie 14a aus Figur 1 und weist drei
Batteriestränge u, v, w mit jeweiligen Batteriemodulen u-1 bis u-5, v-1 bis v-5, w-1 bis w-5 auf. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die einzelnen Komponenten nicht erneut mit Bezugszeichen versehen.
Der positive Pol des Ladegeräts 12a ist über den Anschluss 16 der Batterie 14a, der hier auf einem gemeinsamen Sternpunkt der Batterie 14a liegt, mit der Batterie 14a elektrisch verbunden. Die Stränge u, v, w der Batterie 14a sind zueinander
parallelgeschaltet. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform sind die jeweiligen Batteriemodule der jeweiligen Stränge in Reihe zueinander geschaltet. Dabei ist die Schaltung an einer mit„T" gekennzeichneten Stelle durch ein internes MOSFET getrennt. Über die jeweiligen Anschlüsse 18-u, 18-v und 18-w sind die jeweiligen Stränge u, v, w mit Anschlüssen der jeweiligen Wicklungsstränge des Motors 20 verbunden. Die Rückleitung zurück zum Ladegerät 12a erfolgt bei dieser Ausführungsform über den Sternpunkt des Motors 20. Dadurch werden zusätzliche Leitungen vermieden und der Motor 20 muss nicht von der Batterie 14a getrennt werden. Die
Gleichstromladespannung ist bei dieser Ausführungsform größer als die Summe der Modulspannungen eines jeweiligen Strangs u, v, w. Dadurch kann bei dieser
Ausführungsform der Ladevorgang im Hochvolt-Bereich erfolgen.
Das in Figur 3 gezeigte Schaltbild 10c zeigt im Wesentlichen die in Figur 2 beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Schaltbild 10c weist aber zusätzlich zu den in Figur 2 beschriebenen Komponenten zwei zusätzliche
Leistungsschalter SWKl und SWK2 auf. Der Schalter SWKl ist zwischen dem Strang u und dem Strang v angeordnet. Der Schalter SWK2 ist zwischen dem Strang v und dem Strang w angeordnet. Zusätzlich ist eine nicht gezeigte Ansteuerung für die Schalter SWK1 und SWK2 erforderlich.
Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform sind die Schalter SWK1 und SWK2
5 geschlossen, so dass der Motor 20 kurzgeschlossen wird, indem die einzelnen
Phasenstränge bzw. Phasen des Motors 20 zusammengeschlossen werden. Die
Rückleitung zurück zum Ladegerät 12a erfolgt somit über die zusammengeschalteten Phasenleitungen des Motors 20. Dadurch muss der Motor 20 nicht von der Batterie 14a getrennt werden. Des Weiteren treten auch keine Spannungsabfälle über den Wicklungen 10 21 des Motors 20 auf. Außerhalb des Ladevorgangs und zum Betrieb des Motors 20 sind die Schalter SWK1 und SWK2 zu öffnen.
Das in Figur 4 gezeigte Schaltbild lOd zeigt im Wesentlichen die in Figur 3 beschriebenen Komponenten der Schaltung. Das Ladegerät 12a ist mit der Batterie 14a über den 15 Anschluss 16 elektrisch verbunden und die Rückleitung zurück zum Ladegerät erfolgt über die zusammengeschlossenen Phasen des Motors 20. Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind jedoch die einzelnen Module der jeweiligen Stränge u, v, w nicht ausschließlich in Reihe oder parallel zueinander geschaltet, sondern manche Module sind in Reihe geschaltet und manche Module sind parallelgeschaltet.
20
In Strang u sind das Modul u-1 und das Modul u-2 in Reihe geschaltet und die Module u-3, u-4 und u-5 sind parallelgeschaltet. In Strang v sind das Modul v-1 , v-2 und v-3
parallelgeschaltet und die Module v-4 und v-5 sind in Reihe geschaltet. In Strang w sind die Module w-2, w-3 und w-4 parallelgeschaltet, das Modul w-1 und das Modul w-5 sind zu
25 den parallel geschalteten Modulen w-2, w-3, w-4 in Reihe geschaltet. Die in Figur 4
gezeigte Ausführungsform zeigt somit einen Mischbetrieb. Hierbei sind die Spannungen in den jeweiligen Strängen u, v, w gleich, jedoch ist die Verteilung des Stroms auf die einzelnen Module verschieden. Dadurch können Zwischenspannungen geschaltet werden und eine Ausbalancierung zwischen den jeweiligen Strängen und/oder den jeweiligen
30 Modulen der einzelnen Stränge ist realisierbar. Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist die Gleichstromladespannung kleiner oder gleich der Summe der Modulspannungen, so dass auch bei dieser Ausführungsform im Hochvolt-Bereich geladen werden kann. Das Schaltbild lOe der Figur 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Laden der Batterie 14a. Bei dieser Ausführungsform ist der positive Pol des Ladegeräts 12a über einen Anschluss 22 mit dem Motor 20 verbunden. Die mit„T" gekennzeichneten Stellen bedeuten eine Trennung der Leitung an dieser Stelle. Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform wird der Strom über den Anschluss 22 in einen Phasenstrang des Motors 20 eingeleitet. Die Phasenstränge des Motors teilen dadurch den Strom auf, so dass der Strom über die Anschlüsse 18-u und 18-w der Batterie 14a in die Batterie 14a fließt. In der Batterie 14a sind die jeweiligen Module der Stränge u, v, w jeweils in Reihe geschaltet. Die Stränge u, v, w sind parallel zueinander geschaltet. Über den Strang v fließt der Strom zurück in Richtung Ladegerät 12a. Dabei liegt im Strang v die doppelte Stromstärke und die doppelte Strangspannung gegenüber den Strängen u und w an. Über den Anschluss 18-v ist die Batterie 14a mit dem negativen Pol des Ladegeräts 12a verbunden. Dabei ist zwischen dem Anschluss 22 und dem Rückleiter zum Ladegerät 12a ein Schalter 23 angeordnet. Während des Ladevorgangs wird über den Schalter 23 eine Phase des Motors getrennt. Ist der Ladevorgang beendet, wird das Ladegerät 12a abgetrennt und der Schalter 23 geschlossen, um den Motor 20 betreiben zu können. Auch bei dieser Ausführungsform sind Mischschaltungen in den jeweiligen Strängen u, v, w möglich, wobei, wie in der in Figur 4 beschriebenen Ausführungsform, Module in einem Strang u, v, w parallel und in Reihe zueinander geschaltet sind. Dadurch werden
Anpassungen zur besseren Stromverteilung und zur Spannungsanpassung möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit das Laden einer
Wechselstrombatterie mit einer Gleichstromspannungsquelle. Dabei kann eine elektrische Maschine, wie bspw. ein Elektromotor, in den Ladevorgang eingebunden oder nicht eingebunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht aber auch ein Laden der
Wechselstrombatterie unter Verwendung einer Wechselstromspannungsquelle, wie nachstehend beschrieben wird.
Die Figuren 6a und 6b zeigen Schaltbilder lOf und 10g, die eine erste Möglichkeit zum Laden eines Energiespeichers bzw. einer Batterie 14b mit einer Wechselspannungsquelle als Energiequelle 12b darstellen. Die Wechselspannungsquelle 12b ist über einen Anschluss 16* mit der Batterie 14b elektrisch verbunden.
Die Batterie 14b weist drei Energiespeicherstränge u, v, w bzw. Batteriestränge u, v, w auf. Die Stränge u, v, w sind zueinander parallelgeschaltet. Jeder der Stränge u, v, w weist mehrere Energiespeichermodule u-1, u-2, u-3, u-4, u-5 bzw. v-1, v-2, v-3, v-4, v-5 bzw. w-1, w-2, w-3, w-4, w-5 auf, die auch als Batteriemodule bezeichnet werden. Jeder Strang u, v, w weist dazu zusätzlich noch ein Schaltermodul u-S, v-S, w-S auf. Ein solches jeweiliges Schaltermodul u-S, v-S, w-S kann bspw. ein MOSFET sein. Der MOSFET reduziert den gezeigten Doppelabgriff der Module u-1, v-1 , w-1 auf einen Abgriff. Die jeweiligen Module u-1 bis u-5 und u-S, v-1 bis v-5 und v-S, w-1 bis w-5 und w-S sind jeweils innerhalb ihres jeweiligen Strangs parallel zueinander geschaltet. Über einen jeweiligen Anschluss 18-u, 18-v, 18-w sind die Stränge u, v, w bzw. die Batterie 14b mit einem Motor 20 elektrisch verbunden. Der Motor 20 entspricht dabei den in den voranstehend beschriebenen Figuren dargestellten Motor 20 und weist drei Wicklungs- bzw.
Phasenstränge mit den Wicklungen 21 auf.
Die in Figur 6b gezeigte Ausführungsform weist noch einen der Wechselspannungsquelle 12b nachgeschalteten Transformator 24 auf. Dadurch wird die
Wechselstromspannungsquelle 12b galvanisch von dem Energiespeicher 14b getrennt, wodurch Sicherheitsaspekte der Schaltung angesprochen werden. Die in den Figuren 6a und 6b gezeigten Ausführungsformen ermöglichen ein direktes, einphasiges Laden der Batterie 14b. Die Rückleitung zurück zum Ladegerät 12b erfolgt dabei über den Sternpunkt des Motors 20. Zum Ausbilden einer Wechselspannungssenke wird die Batterie 14b auf den Strom des Ladegeräts 12b aufgeregelt. Das heißt, die Batterie 14b wird an das Ladegerät 12b angepasst.
Maßgeblich bei diesem Ladeverfahren sind die Frequenz und die Spannung des
Ladegeräts 12b der von diesem bereitgestellten Wechselspannung. Die jeweiligen Batteriemodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 werden dazu so geschaltet, dass die jeweiligen Stränge u, v, w der Frequenz und der Spannung des Ladegerät 12b entsprechen. Das Ladegerät 12b stellt eine Ladespannung mit einer bestimmten
Frequenz bereit. Wie einleitend erläutert, weisen die jeweiligen Batteriemodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 mehrere Schaltelemente auf, die es erlauben die jeweiligen Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 bzw. die in den jeweiligen Modulen angeordneten Energiespeicherelemente dynamisch zwischen einer Parallelschaltung und/oder einer Reihenschaltung zueinander umzuschalten. Dadurch lassen sich jeweilige Frequenzen und Spannungen in den jeweiligen Modulen u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 bzw. den Batteriesträngen u, v, w einstellen, so dass sich die Batterie 14b an die bereitgestellte Frequenz und Spannung des Ladegeräts 12b anpassen lässt. Hierzu sind auch die Schaltermodule u-S, v-S und w-S erforderlich. Da an den jeweiligen Strängen u, v, w jeweils nur eine Teilspannung anliegt, führen die Schaltermodule u-S, v-S und w-S die Stränge u, v, w zu einem gemeinsamen Sternpunkt der Batterie 14b zusammen. Über den Sternpunkt der Batterie 14b kann die von dem Ladegerät 12b bereitgestellte
Wechselspannung zentral eingespeist werden.
Durch die Rückleitung über den Sternpunkt des Motors 20, muss der Motor 20 während des Ladevorgangs nicht von der Batterie 14b getrennt werden. Jedoch werden die jeweiligen Module der ersten Spannungsstufe entkoppelt, d. h. sie werden einzeln ansteuerbar, so dass auch diese parallel, in Reihe oder überbrückend zu jeweiligen benachbarten Modulen geschaltet werden können. Anderenfalls wäre lediglich eine Parallelschaltung möglich. Die in den Figuren 7a und 7b gezeigten Schaltbilder 10h und lOi entsprechen im
Wesentlichen den in den Figuren 6a und 6b gezeigten Schaltbildern 10† und 10g, wobei die Schaltbilder 10h und lOi der Figuren 7a und 7b zwei Schalter SWKl , SWK2 aufweisen, die zwischen den Anschlüssen 18-u, 18-v, 18-w angeordnet sind, über die die Batterie 14b mit den jeweiligen Wicklungssträngen mit den jeweiligen Wicklungen 21 des Motors 20 verbunden ist. Der Schalter SWKl ist zwischen den Anschlüssen 18-u und 18- v angeordnet. Der Schalter SWK2 ist zwischen den Anschlüssen 18-v und 18-w
angeordnet. Die in Figur 7b gezeigte Ausführungsform weist den Transformator 24 auf, der die Wechselspannungsquelle 12b galvanisch von der Batterie 14b trennt.
Bei den in den Figuren 7a und 7b gezeigten Ausführungsformen wird die Batterie 14b direkt, einphasig geladen, wobei der Motor 20 bzw. die Stränge mit den Wicklungen 21 (Wicklungsstränge) des Motors 20 über die Schalter SWKl und SWK2 kurzgeschlossen werden. Dadurch muss der Motor 20 nicht von der Batterie 14b während des
Ladevorgangs getrennt werden und es treten keine Spannungsabfälle über den
Wicklungen 21 des Motors 20 auf. Das Kurzschließen der Stränge erfolgt, indem die Schalter SWKl und SWK2 jeweils geschlossen werden. Hierzu ist ggf. eine nicht gezeigte Ansteuerung der Schalter SWKl , SWK2 erforderlich. Das Ladegerät 12b kann dabei galvanisch getrennt oder galvanisch nicht getrennt mit der Batterie 14b verbunden werden.
Die in den Figuren 8a und 8b gezeigten Schaltbilder lOj und 10k, zeigen weitere
Möglichkeiten zum Laden eines Energiespeichers 14c, wobei bei den hier gezeigten Ausführungsformen die Batterie 14c dreiphasig geladen wird.
Um dies zu ermöglichen weist die Batterie 14c zu den bereits in Bezug auf die Batterien 14a und 14b beschriebenen Komponenten zwei zusätzliche Schalter SSPl und SSP2 auf. Der Schalter SSPl ist zwischen dem Strang u und dem Strang v angeordnet. Der
Schalter SSP2 ist zwischen dem Strang v und dem Strang w angeordnet. Die Schaltbilder 10j und 10k weisen auch die Schalter SWKl und SWK2 an den bereits beschriebenen Stellen zwischen den Strängen des Motors 20 auf, um die Stränge des Motors 20 zusammenzuschalten.
5 Die Batterie 14c bzw. die Stränge u, v und w sind jeweils mit jeweils einer Phase LI , L2, L3 eines Ladegeräts 12c verbunden. Die Wechselspannungsquelle 12c könnte somit ein Drehstromnetz sein. Die in Figur 8b gezeigte Ausführungsform weist eine galvanische Trennung durch einen dem Ladegerät 12c nachgeschalteten Transformator 25 auf.
10 Die Batterie 14c wird durch die in den Figuren 8a und 8b gezeigten Ausführungsformen direkt dreiphasig geladen. Dazu trennen die Schalter SSP1 , SSP2 den Sternpunkt der Batterie 14c auf. Das ist erforderlich, um jeden Strang u, v, w einzeln zu behandeln, da an den Strängen u, v, w jeweils eine vorzugsweise um 120° verschobene Phase des Ladegeräts 12c anliegt. Hierbei sei angemerkt, dass die Phasenverschiebung einen
15 beliebigen Wert aufweisen kann. Die Schalter SWKl und SWK2 schließen die Stränge des Motors 20 zusammen, d. h. der Motor 20 wird kurzgeschlossen. Aufgrund der
Phasenverschiebung um 120° der jeweiligen Phasen LI , L2, L3 beträgt der Wert der am Motor 20 anliegenden vektoriellen Summe der Spannungen ohnehin 0V. Deshalb muss der Motor 20 nicht zwangsläufig von der Batterie 14c während des Ladevorgangs
20 getrennt werden, jedoch muss er über die Schalter SWKl und SWK2 kurzgeschlossen werden. Dadurch treten auch keine Spannungsabfälle in den Wicklungen des Motors 20 auf. Zum Ansteuern der Schalter SSP1 , SSP2, SWKl , SWK2, die jeweils
Leistungsschalter sein können, ist ggf. eine nicht gezeigte Ansteuerung notwendig.
25 Die in den Figuren 9a bis 9d gezeigten Schaltbilder 101, 10m, 10η, 10ο zeigen weitere Möglichkeiten zum Laden eines Energiespeichers 14a bzw. 14b, wobei die
Energiespeicher 14a, 14b jeweils in den voranstehenden Figuren bereits beschrieben wurden. Bei den gezeigten Ausführungsformen wird die Batterie 14a, 14b direkt, dreiphasig geladen, wobei das Ladegerät 12c jeweils motorseitig mit der Batterie 14a,
30 14b elektrisch verbunden ist. Dabei sind die jeweiligen Batteriemodule parallel zueinander geschaltet. Die Schaltbilder 101 bis 10ο weisen auch zwei Schalter Sl und S2 auf, die den Motor 20 an zwei Strängen von der Batterie 14a bzw. 14b trennen. Der Schalter Sl ist dabei zwischen dem Anschluss 18-u und dem entsprechenden Wicklungsstrang 21 des Motors 20 angeordnet. Der Schalter S2 ist zwischen einem entsprechenden Wicklungsstrang 21 des Motors 20 und der elektrischen Verbindung von Anschluss 18-v zu Phase L2 angeordnet. Sind die Schalter Sl und S2 geöffnet, sind die jeweiligen Stränge des Motors von der Batterie 14a, 14b bzw. von den jeweiligen Strängen u, v getrennt.
Dadurch treten an den Wicklungen keine Spannungsabfälle auf und es fließt kein Strom in den Motor.
Das Schaltbild 101 der Figur 9a zeigt die Batterie 14b, wie sie bereits in den Figuren 6 und 7 beschrieben wurde. Das Ladegerät 12c bzw. die Phasen LI , L2, L3 sind über die Anschlüsse 18-w, 18-v und 18-u mit der Batterie 14b elektrisch verbunden. Dabei ist die Phase LI mit dem Anschluss 18-u, die Phase L2 mit dem Anschluss 18-v und die Phase L3 mit dem Anschluss 18-w elektrisch verbunden.
Das Schaltbild 10m der Figur 9b zeigt im Wesentlichen die aus der Figur 9a bekannten Komponenten. Im Schaltbild 10m weist das Ladegerät 12c einen den Phasen LI , L2 und L3 nachgeschalteten Transformator 25 zur galvanischen Trennung auf.
Die Schaltermodule u-S, v-S und w-S sind in den Ausführungsformen der Figuren 9a und 9b so geschaltet, dass das Laden der Batterie 14b über einen gemeinsamen Sternpunkt der Batterie 14b erfolgt.
Das in Figur 9c gezeigte Schaltbild 10η zeigt und entspricht im Wesentlichen dem Schaltbild 101 der Figur 9a, wobei die Batterie 14b durch die bereits beschriebene Batterie 14a ersetzt ist, die keine Schaltermodule u-S, v-S und w-S aufweist. Insofern erfolgt bei dieser Ausführungsform das Laden der Batterie 14a über parallel geschaltete Stränge u, v, w. Das in Figur 9d gezeigte Schaltbild unterscheidet sich von dem Schaltbild 10η der Figur 9c lediglich darin, dass dem Ladegerät 12c der Transformator 25 zur galvanischen Trennung nachgeschaltet ist.
5 Die Figuren 10a bis 10† zeigen weitere Möglichkeiten zum Laden eines Energiespeichers 14c. Dazu zeigen die Figuren 10a bis 10† Schaltbilder 10p bis lOu, in denen
Ausführungsformen gezeigt sind, bei denen die Batterie 14c mit zwei Spannungsquellen 12a, 12b, 12c elektrisch verbunden ist. Die nachfolgend beschriebenen
Ausführungsformen der Figuren 10a bis lOf ermöglichen ein Laden des Energiespeichers
10 14c sowohl mittels Gleichstrom, als auch mittels Wechselstrom und sowohl einphasig, als auch dreiphasig. Jedenfalls ist in den Ausführungsformen der Figuren 10a bis lOf jeweils eine Drehstromspannungsquelle 12c vorgesehen, die mehrere Phasen aufweist, und jeweils eine Spannungsquelle 12a, 12b vorgesehen, die lediglich eine Phase aufweist. Insofern stellen die Ausführungsformen der Figuren 10a bis lOf eine Mischform
15 der in den Figuren 8a, 8b und 3 beschriebenen Schaltungen dar. Die jeweiligen
Energiespeichermodule der Energiespeicherstränge u, v, w sind jeweils parallel zueinander geschaltet. Die Schalter SSP1 und SSP2 trennen, wie zuvor beschrieben, den Sternpunkt der Batterie 14c auf. Zum Laden der Batterie 14c mittels der
Drehstromspannungsquelle 12c sind die Schalter SSP1 und SSP2 geöffnet. Zum Laden
20 der Batterie 14c mittels der einphasigen Spannungsquelle 12a oder 12b sind die
Schalter SSP1 und SSP2 zu schließen.
Die in den Schaltbildern 10p bis lOu gezeigten Ausführungsformen weisen die Schalter SWK1 und SWK2 auf, die an den zuvor bereits beschriebenen Stellen in den jeweiligen 25 Schaltbildern 10p bis lOu angeordnet sind, nämlich zwischen den Strängen des Motors 20, um die Stränge des Motors 20 zusammenzuschalten.
Die Schaltbilder 10p bis lOu weisen des Weiteren drei Spulen 30 auf. Eine Spule 30 ist jeweils mit einer Phase LI , L2, L3 und mit einem jeweiligen Anschluss der Batterie 14c 30 elektrisch verbunden. In der mit Schaltbild 10p in Figur 10a gezeigten Ausführungsform ist die bereits beschriebene Batterie 14c mit einem Ladegerät 12a, einer Gleichstromspannungsquelle, und einem Ladegerät 12c, einer Drehstromspannungsquelle, elektrisch verbunden. Das Ladegerät 12a ist mit seinem positiven Pol über einen Anschluss 26 und mit seinem negativen Pol über einen Anschluss 28 mit der Batterie 14c verbunden.
Die Phasen LI , L2, L3 des Ladegeräts 12c sind jeweils mit einer der Spulen 30 elektrisch verbunden.
In dem in Figur 10b gezeigten Schaltbild lOq ist dem Ladegerät 12c ein Transformator 25 zur galvanischen Trennung nachgeschaltet.
Das in Figur 10c gezeigte Schaltbild lOr entspricht im Wesentlichen dem in Figur 10a gezeigten Schaltbild 10p. Im Schaltbild lOr ist aber die Gleichstromspannungsquelle 12a durch eine einphasige Wechselstromspannungsquelle 12b ersetzt.
In dem in den Figur lOd und lOf gezeigten Schaltbildern 10s bzw. lOu ist dem
Ladegerät 12c zur galvanischen Trennung ein Transformator 25 nachgeschaltet.
In dem in den Figuren lOe und lOf gezeigten Schaltbildern 10t bzw. lOu ist der einphasigen Wechselstromspannungsquelle 12b ein Transformator 24 zur galvanischen Trennung nachgeschaltet. In Figur 11 ist ein Systemschaltbild lOv dargestellt. Ein Energiespeicher 14d ist mit einem Bordnetz 12d elektrisch verbunden. Das Bordnetz 12d ist dazu eingerichtet, mehrere Spannungsniveaus als Verbraucherspannung für jeweilige Verbraucher zu verwenden, bspw. 12V und 48V. Der Energiespeicher 14d weist drei Energiespeicherstränge u, v, w auf. Jeder
Energiespeicherstrang u, v, w weist jeweils fünf Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v— 5 und w-1 bis w-5 auf. Auch hierbei sei nochmal angemerkt, dass die Anzahl der Energiespeichermodule beliebig sein kann und somit auch mehr als fünf
Energiespeichermodule vorhanden sein können. Der positive Pol des Bordnetzes 12d ist dabei jeweils über eine elektrische Verbindung 32 mit einem positiven Anschluss eines jeweiligen Energiespeichermoduls u-1 bzw. v-1 bzw. w-1 verbunden. Der negative Pol des Bordnetzes 12d ist dabei jeweils über eine elektrische Verbindung 33 mit einem negativen Anschluss eines jeweiligen Energiespeichermoduls u-1 bzw. v-1 bzw. w-1 verbunden. In der Hinleitung 32 vom positiven Pol des Bordnetzes 12d zur Batterie 14d ist ein Schütz 34 und ein Schalter S9 in Reihe angeordnet. Im Übrigen sind die jeweiligen Module u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 jeweils parallelgeschaltet. An dem motorseitigen Ende der Stränge u, v, w ist jeweils ein mit„A" gekennzeichneter
Strommesser angeordnet. Diesem nachgeschaltet ist jeweils ein Schütz 36.
Die Stränge u, v, w sind jeweils mit jeweils einem Strang eines Motors 20 elektrisch verbunden. Dabei ist ein Schalter Sl in der elektrischen Verbindung von Strang u zum Motor 20 und ein Schalter S2 in der elektrischen Verbindung von Strang v zum Motor 20 angeordnet, um diesen ggf. je nach Betriebsfunktion zu trennen oder zu verbinden. Mit dem Motor 20 ist eine Ladevorrichtung 38 elektrisch verbunden. Die Ladevorrichtung 38 wird zum Laden der Batterie 14d mit jeweiligen eine Ladespannung bereitstellenden Energiequellen verbunden, wobei als Energiequellen Gleichspannungsquellen und/oder Wechselspannungsquellen in Betracht kommen.
Die Ladevorrichtung 38 weist mehrere Anschlüsse LI , L2, L3 zum verbinden mit jeweiligen Phasen eines Drehstromnetzes auf. Des Weiteren weist die Ladevorrichtung 38 einen Neutralanschluss N auf. Schließlich weist die Ladevorrichtung 38 Anschlüsse„+" und„-" zum Verbinden mit einem Gleichstromnetz auf. Zum jeweiligen Hinzuschalten oder Trennen des jeweiligen Anschlusses LI , L2, L3, N,„+",„-" ist diesen jeweils ein Schalter S3 bis S7 nachgeschaltet. Der Schalter S4 ist dabei dazu eingerichtet, zwischen dem Anschluss„-" und dem Anschluss N zu schalten. Die Schalter S5, S6, S7 sind dazu eingerichtet, zwischen dem jeweiligen Phasenanschluss LI, L2, L3 oder einem
Koppelstrang 39 zu schalten. Der Schalter S3 ist dazu eingerichtet, den Anschluss„+" oder den Anschluss der Phase LI mit dem Koppelstrang 39 zu verbinden. Die
Anschlüsse LI , L2 und L3 weisen zudem jeweils eine Spule 40 auf. Parallel zwischen dem Anschluss N und den jeweiligen Anschlüssen LI , L2 und L3 ist jeweils ein mit„U" gekennzeichneter Spannungsmesser angeordnet. Ein mit„U" gekennzeichneter
Spannungsmesser ist zudem zwischen dem Anschluss„+" und dem Anschluss„-" angeordnet.
Von dem Anschluss N bzw. dem Anschluss„-", je nach jeweiliger Stellung des Schalters S4, ist eine elektrische Verbindung 42 zu dem negativen Pol des Bordnetzes 12d bzw. zu der elektrischen Verbindung 33 ausgebildet. Die elektrische Verbindung 42 weist einen Schütz 44 auf. Zwischen der elektrischen Verbindung 42 und den jeweiligen Strängen u, v, w sind jeweils mit„LT gekennzeichnete Spannungsmesser parallel dazu geschaltet angeordnet, so dass eine Spannung zwischen dem jeweiligen Strang u, v, w und der elektrischen Verbindung 42 bestimmbar ist.
Von den jeweiligen Spannungsmessern„U" und Strommessern„A", von dem Motor 20 bzw. von einem Resolver des Motors 20 und von der Batterie 14d werden Messdaten, wie z.B. einzelne Zellspannungen der einzelnen Energiespeichermodule oder die
Temperatur an eine Zentralsteuerung 46 der Batterie 14d gesendet. Die
Zentralsteuerung 46 weist zur Steuerung der jeweiligen Schalter der
Energiespeichermodule u-1 bis u-5, v-1 bis v-5 und w-1 bis w-5 einen
Hochgeschwindigkeits-Bus 45 auf. An die Zentralsteuerung 46 ist auch eine
Schaltersteuerung 48 zur Steuerung der Schalter Sl bis S9 angebunden. Figur 12a zeigt das Systemschaltbild lOv wie es geschaltet ist, während eines
Motorbetriebs, also wenn die Batterie 14d den Motor 20 mit Energie versorgt. Der Übersichtlichkeit halber, sind nicht benötigte Mitglieder des Systemschaltbilds lOv aus Figur 11 ausgeblendet. Zum Motorbetrieb ist der Schalter S9 geschlossen. Dadurch ist das Bordnetz 12d mit seinem jeweiligen positiven Pol und seinem jeweiligen negativen Pol mit der Batterie 14d elektrisch verbunden. Auch die Schalter Sl und S2 sind geschlossen, wodurch die Batterie 14d und der Motor 20 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Schalter S3 bis S7 sind so geschaltet, dass sie keine Funktion erfüllen bzw. die Ladevorrichtung 38 getrennt ist. Dazu sind Schalter S3 bis S7 geöffnet bzw. in eine Mittelstellung zwischen den jeweiligen möglichen Endstellungen geschaltet, so dass keine der Endstellungen elektrisch verbunden ist. Andere Schaltelemente als die gezeigten, die eine
Öffnungsstellung neben mehreren weiteren Funktionsstellungen zulassen, sind alternativ möglich. Figur 12b zeigt das Schaltbild lOv aus Figur 11 wie es geschaltet ist, während die Batterie 14d mit Wechselstrom dreiphasig geladen wird. Diese Funktion entspricht im Wesentlichen den in den Figuren 9a bis 9d beschriebenen Merkmalen. Die
Schaltersteuerung 48 hat den Schalter S9 geschlossen, wodurch das Bordnetz 12d mit der Batterie 14d verbunden ist, und die Schalter Sl und S2 sind geöffnet, so dass die jeweiligen Stränge des Motors 20 von der Batterie 14d getrennt sind. Die Schalter S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass sie die Phasenanschlüsse LI , L2 und L3 mit den jeweiligen Strängen u, v, w der Batterie 14d verbinden. Der Schalter S5 verbindet den Anschluss der Phase LI mit dem Strang u der Batterie 14d, der Schalter S6 verbindet den Anschluss der Phase L2 mit dem Strang v der Batterie 14d und der Schalter S7 verbindet den Anschluss der Phase L3 mit dem Strang w der Batterie 14d. Der Schalter S4 ist so geschaltet, dass der Anschluss N mit dem negativen Pol des Bordnetzes 12d verbunden ist, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Der Strom wird somit über den Phasen LI , L2, L3 und dem Neutral- bzw. Null-Leiter entnommen. In dieser Konfiguration kann nun die Batterie 14d dreiphasig geladen werden.
Figur 12c zeigt das Schaltbild lOv wie es geschaltet ist, während die Batterie 14d mit Wechselstrom einphasig geladen wird. Die Schaltersteuerung 48 hat dazu den Schalter S9 geschlossen, wodurch das Bordnetz 12d mit der Batterie 14d verbunden ist, und die Schalter Sl und S2 geöffnet, so dass die jeweiligen Stränge des Motors 20 von der Batterie 14d getrennt sind. Die Schalter S3, S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass der Phasenanschluss LI mit den Strängen u, v, w der Batterie 14d elektrisch verbunden ist. Der Schalter S3 ist so geschaltet, dass der Anschluss der Phase LI mit dem
Koppelstrang verbunden ist. Die Schalter S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d ebenfalls mit dem Koppelstrang 39 (siehe Figur 11) verbunden sind. Somit kann Strom von dem Anschluss der Phase LI über den Schalter S3, den Koppelstrang 39 die Schalter S5, S6, S7 in die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d fließen und die Batterie 14d laden. Schalter S4 ist so geschaltet, dass der Anschluss N mit dem negativen Pol des Bordnetzes 12d verbunden ist, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Der Strom wird somit über der Phase LI und dem Neutralbzw. Null-Leiter entnommen. In dieser Konfiguration kann nun die Batterie 14d einphasig aus der Phase LI geladen werden.
Figur 12d zeigt das Schaltbild lOv wie es geschaltet ist, während die Batterie 14d mit Gleichstrom geladen wird. Die Schaltersteuerung 48 hat dazu den Schalter S9
geschlossen, wodurch das Bordnetz 12d mit der Batterie 14d verbunden ist, und die Schalter Sl und S2 geöffnet, so dass die jeweiligen Stränge des Motors 20 von der Batterie 14d getrennt sind. Die Schalter S3, S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass der Anschluss„+" elektrisch mit den Strängen u, v, w der Batterie 14d verbunden ist. Dazu ist der Schalter S3 so geschaltet, dass der Anschluss„+" mit dem Koppelstrang verbunden ist. Die Schalter S5, S6 und S7 sind so geschaltet, dass die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d ebenfalls mit dem Koppelstrang 39 (siehe Figur 11) verbunden sind. Somit kann Strom von dem Anschluss„+" über den Schalter S3, den Koppelstrang 39 und die Schalter S5, S6, S7 in die jeweiligen Stränge u, v, w der Batterie 14d fließen und die Batterie 14d laden. Der Schalter S4 ist so geschaltet, dass der Anschluss„-" mit dem negativen Pol des Bordnetzes 12d verbunden ist, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. In dieser Konfiguration kann nun die Batterie 14d mit Gleichstrom geladen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laden eines Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d), bei dem ein Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) verwendet wird, der mindestens drei
Energiespeicherstränge (u, v, w) mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen (u-1 bis u- 5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) aufweist, wobei die jeweiligen
Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens ein Energiespeicherelement, das von einer Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) Energie empfängt und speichert, und mindestens zwei Schaltelemente umfassen, bei dem der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) elektrisch mit einer eine Ladespannung
bereitstellenden Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) und einer elektrischen Maschine (20) verbunden wird und die Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) von der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) mit Energie versorgt werden, wobei frei wählbar eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle als Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) verwendet wird und der Energiespeicher durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltet werden und/oder mindestens ein Energiespeichermodul (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) überbrückt wird, an Eigenschaften der gewählten Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) angepasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) eine Wechselstrombatterie verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) in einem jeweiligen Energiespeicherstrang (u, v, w) durch entsprechendes Schalten der
Schaltelemente der Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Energiespeicherstränge (u, v, w) in Reihe zueinander geschaltet werden.
5 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) parallel zueinander geschaltet werden.
6. Verfahren nach einem der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) einphasig oder
10 dreiphasig geladen werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) über einen Sternpunkt des Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) geladen werden.
15
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückleitung der elektrischen Verbindung von dem Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) zur Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) über einen Sternpunkt der elektrischen Maschine (20) geschaltet wird.
20
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (12b, 12c) von dem Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) galvanisch getrennt oder alternativ nicht galvanisch getrennt wird.
25 10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsanschluss der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) unmittelbar mit einem Eingangsanschluss des Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) elektrisch verbunden wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsanschluss der Energiequelle (14a, 14b, 14c, 14d) mit einem Anschluss der elektrischen Maschine (20) elektrisch verbunden wird.
12. Vorrichtung zum Laden eines Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) mit einer Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d), die eine Ladespannung bereitstellt, einem
Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) und einer elektrischen Maschine (20), bei der der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) mit der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) und mit der elektrischen Maschine (20) elektrisch verbunden ist, wobei der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) mit jeweils mehreren Energiespeichermodulen (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) aufweist, wobei die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w- 1 bis w-5, w-n) mindestens eine Energiespeicherzelle, die dazu ausgebildet ist, von der Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) Energie zu empfangen und zu speichern, und mindestens zwei Schaltelemente aufweist, wobei die Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) eine Gleichspannungsquelle und/oder eine Wechselspannungsquelle umfasst und der Energiespeicher (14a, 14b, 14c, 14d) durch Schalten der Schaltelemente, wodurch die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) jeweils parallel und/oder in Reihe zueinander zu schalten sind und/oder mindestens ein Energiespeichermodul (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) mindestens eines Energiespeicherstrangs (u, v, w) zu überbrücken ist, an die jeweilige gewählte Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) anpassbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (12a, 12b, 12c, 12d) zum Bereitstellen der Ladespannung unmittelbar mit Anschlüssen des Energiespeichers (14a, 14b, 14c, 14d) oder mit Anschlüssen der elektrischen Maschine (20) verbunden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch kennzeichnet, dass die jeweiligen Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) in einem jeweiligen Energiespeicherstrang (u, v, w) durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente der Energiespeichermodule (u-1 bis u-5, u-n, v-1 bis v-5, v-n, w-1 bis w-5, w-n) jeweils in Reihe oder jeweils parallel oder zumindest teilweise in Reihe und teilweise parallel zueinander geschaltet sind.
5 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Energiespeicherstränge (u, v, w) in Reihe zueinander geschaltet sind oder dass die mindestens drei Energiespeicherstränge (u, v, w) parallel zueinander geschaltet sind.
10 16. Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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