WO2013182357A1

WO2013182357A1 - Verfahren zur dynamischen überbrückung von zellen in einer energiespeichereinrichtung

Info

Publication number: WO2013182357A1
Application number: PCT/EP2013/059206
Authority: WO
Inventors: Roland Schleser; Konstantin DECU; Matthias Heil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2014-12-04
Also published as: DE102012209392A1

Description

Beschreibung

Titel

VERFAHEN ZUR DYNAMISCHEN ÜBERBRÜCKUNG VON ZELLEN IN EINER|ENERGIESPEICHEREINRICHTUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dynamischen Einstellen eines

Kurzschlusszustands in einer Energiespeichereinrichtung und eine derartig ansteuerbare Energiespeichereinrichtung, insbesondere für den Einsatz in einem

Batteriedirektumrichter für das elektrische Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. 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 Serienschaltung mehrerer Batteriemodule bringt das Problem mit sich, dass der gesamte Strang ausfällt, wenn ein einziges Batteriemodul ausfällt. Ein solcher Ausfall des Energieversorgungsstrangs kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Weiterhin können temporär oder permanent auftretende Leistungsminderungen eines einzelnen

Batteriemoduls zu Leistungsminderungen im gesamten Energieversorgungsstrang führen. In der Druckschrift US 5,642,275 A1 ist ein Batteriesystem mit integrierter Wechselrichterfunktion beschrieben. Systeme dieser Art sind unter dem Namen Multilevel Cascaded Inverter oder auch Battery Direct Inverter (Batteriedirektumrichter, BDI) bekannt. Solche Systeme umfassen Gleichstromquellen in mehreren

Energiespeichermodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine oder ein elektrisches Netz anschließbar sind. Dabei können einphasige oder mehrphasige

Versorgungsspannungen generiert werden. Die Energiespeichermodulstränge weisen 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. Dabei 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. Durch geeignete Ansteuerung der

Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der Phasenausgangsspannung bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der Phasenausgangsspannung erforderliche Pulswechselrichter ist damit in die Batterie integriert.

BDIs weisen gegenüber herkömmlichen Systemen üblicherweise einen höheren

Wirkungsgrad, eine höhere Ausfallsicherheit und einen deutlich höheren

Oberschwingungsgehalt ihrer Ausgangsspannung auf. Die Ausfallsicherheit wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass defekte, ausgefallene oder nicht voll leistungsfähige Batteriezellen durch geeignete Ansteuerung der ihnen zugeordneten Koppeleinheiten in den Energieversorgungssträngen überbrückt werden können. Die

Phasenausgangsspannung eines 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

Phasenausgangsspannung durch die Summe der Spannungen aller

Energiespeichermodule eines Energiespeichermodulstrangs bestimmt wird.

Die Druckschriften DE 10 2010 027 857 A1 und DE 10 2010 027 861 A1 beispielsweise offenbaren Batteriedirektinverter mit mehreren Batteriemodulsträngen, welche direkt an eine elektrische Maschine anschließbar sind. In derartigen Systemen ist es notwendig für den Fehlerfall entsprechende Ansteuerstrategien bereitzuhalten, um die Verfügbarkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren zum Ansteuern einer modular aufgebauten Energiespeichereinrichtung, mit dem im Fehlerfall sichere Ansteuerzustände hergestellt werden können.

Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum dynamischen Einstellen von Kurzschlusszuständen in einer Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von

Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Zweigausgangsspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist. Die

Energiespeichermodule weisen dabei jeweils zwei Modulausgangsanschlüsse, eine

Koppeleinrichtung mit einer ersten Halbbrücke aus ersten Koppelelementen, welche über einen Mittelabgriff mit einem ersten der Modulausgangsanschlüsse gekoppelt ist, und einer zweiten Halbbrücke aus zweiten Koppelelementen, welche über einen Mittelabgriff mit einem zweiten der Modulausgangsanschlüsse gekoppelt ist, und ein

Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle, welches zwischen die erste und zweite Halbbrücke gekoppelt ist, auf. Die Koppeleinrichtung ist dazu ausgelegt, das Energiespeicherzellenmodul in den jeweiligen

Energieversorgungszweig zu koppeln oder in jenem zu überbrücken. Das Verfahren weist die Schritte des Erfassens eines Fehlerfalls in einer der beiden Halbbrücken eines der Energiespeichermodule, des Erfassens einer momentanen Stromrichtung eines

Stromflusses durch den Energieversorgungszweig des mit dem Fehlerfall behafteten Energiespeichermoduls, und des Ansteuerns der Koppelelemente der anderen der beiden Halbbrücken zum Einstellen eines Überbrückungszustands des mit dem Fehlerfall behafteten Energiespeichermoduls in Abhängigkeit von der erfassten momentanen Stromrichtung auf.

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein elektrisches

Antriebssystem mit einer Energiespeichereinrichtung, welche eine Vielzahl von

Energieversorgungszweigen mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen zur Erzeugung einer Zweigausgangsspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung aufweist. Die Energiespeichermodule weisen dabei jeweils zwei Modulausgangsanschlüsse, eine Koppeleinrichtung mit einer ersten

Halbbrücke aus ersten Koppelelementen, welche über einen Mittelabgriff mit einem ersten der Modulausgangsanschlüsse gekoppelt ist, und einer zweiten Halbbrücke aus zweiten Koppelelementen, welche über einen Mittelabgriff mit einem zweiten der

Modulausgangsanschlüsse gekoppelt ist, und ein Energiespeicherzellenmodul mit mindestens einer Energiespeicherzelle, welches zwischen die erste und zweite

Halbbrücke gekoppelt ist, auf. Die Koppeleinrichtung ist dazu ausgelegt, das

Energiespeicherzellenmodul in den jeweiligen Energieversorgungszweig zu koppeln oder in jenem zu überbrücken. Das elektrische Antriebssystem weist weiterhin eine

Steuereinrichtung auf, die mit der Energiespeichereinrichtung zum Ansteuern der

Koppeleinrichtungen gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, ein

erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisch

betriebenes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem und einer n-phasigen elektrischen Maschine mit n Phasenanschlüssen, welche mit den Ausgangsanschlüssen der Energiespeichereinrichtung gekoppelt ist, wobei n > 1.

Vorteile der Erfindung

Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichereinrichtung, insbesondere einen Batteriedirektumrichter, derart zu betreiben, dass in Fehlerfällen, in denen eine Halbbrücke einer Koppeleinrichtungen eines modular in der Energiespeichereinrichtung verbauten Energiespeichermoduls ausfällt oder gestört ist, zwischen aktiven

Kurzschlusszuständen gewechselt wird, je nach Stromrichtung durch das

Energiespeichermodul. Durch ein Umschalten der in dem defekten Energiespeichermodul verbliebenen aktiven Schaltelemente synchron mit dem Zweigstrom kann ein drohendes Überladen der Energiespeicherzellen des defekten Energiespeichermoduls vermieden werden.

Ein erheblicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Verfügbarkeit des Systems, insbesondere eines elektrischen Antriebssystems, zum Beispiel in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, erheblich verbessert werden kann. Ein zeitlich begrenzter Notlaufmodus ist daher nicht notwendig. Die Energie in den verbleibenden, nicht defekten Energiespeichermodulen bleibt weiterhin nutzbar und kann zum

Bereitstellen einer Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung genutzt werden. Insbesondere bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird ein Liegenbleiben des

Fahrzeugs dadurch vermieden und die Reichweite des Fahrzeugs erhöht. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die

Koppelelemente IGBT-Leistungshalbleiterschalter oder MOSFET- Leistungshalbleiterschalter umfassen, und das Erfassen eines Fehlerfalls kann das Erfassen eines Ausfalls der Ansteuerbarkeit der Koppelelemente umfassen.

Leistungshalbleiterschalter können vorteilhafterweise genutzt werden, um die Effizienz und Leistungsfähigkeit der Energiespeichereinrichtung zu optimieren.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Erfassen eines Ausfalls der Ansteuerbarkeit der Koppelelemente ein Messen einer über die Leistungshalbleiterschalter abfallenden Spannung umfassen. Dadurch kann das Vorliegen einer Betriebsstörung in den Leistungshalbleiterschalter zuverlässig und effizient erfasst werden.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Ansteuern der Koppelelemente der anderen der beiden Halbbrücken zum Einstellen eines

Überbrückungszustands ein Einstellen eines ersten Überbrückungszustands über ein erstes Koppelelement der anderen der beiden Halbbrücken für eine erste erfasste Stromrichtung und ein Einstellen eines zweiten Überbrückungszustands über ein zweites Koppelelement der anderen der beiden Halbbrücken für eine zweite erfasste

Stromrichtung umfassen. Durch diese Maßnahme kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich das Energiespeichermodul in dem jeweiligen Energieversorgungszweig neutral verhält und lediglich den Strom der übrigen Energiespeichermodule durchleitet, ohne selbst Energie aufzunehmen. 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 Energiespeichermoduls einer

Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum dynamischen

Einstellen eines Kurzschlusszustands in einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 mit einer

Energiespeichereinrichtung 1 zur Spannungswandlung von in Energiespeichermodulen 3 bereitgestellter Gleichspannung in eine n-phasige Wechselspannung. Die

Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen Z, von denen in Fig. 1 beispielhaft drei gezeigt sind, welche zur Erzeugung einer

dreiphasigen Wechselspannung, beispielsweise für eine Drehstrommaschine 2, geeignet sind. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl an Energieversorgungszweigen Z ebenso möglich sein kann. Die Energieversorgungszweige Z können eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 3 aufweisen, welche in den Energieversorgungszweigen Z in Serie geschaltet sind. Beispielhaft sind in Fig. 1 je drei Energiespeichermodule 3 pro Energieversorgungszweig Z gezeigt, wobei jedoch jede andere Anzahl an

Energiespeichermodulen 3 ebenso möglich sein kann. Die Energiespeichereinrichtung 1 verfügt an jedem der Energieversorgungszweige Z über einen Ausgangsanschluss 1 a, 1 b und 1 c, welche jeweils an Phasenleitungen 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen sind.

Das System 100 kann weiterhin eine Steuereinrichtung 6 umfassen, welche mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden ist, und mit Hilfe derer die

Energiespeichereinrichtung 1 gesteuert werden kann, um die gewünschten

Ausgangsspannungen an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen 1a, 1 b, 1c bereitzustellen.

Die Energiespeichermodule 3 weisen jeweils zwei Ausgangsanschlüsse 3a und 3b auf, über welche eine Ausgangsspannung der Energiespeichermodule 3 bereitgestellt werden kann. Da die Energiespeichermodule 3 primär in Reihe geschaltet sind, summieren sich die Ausgangsspannungen der Energiespeichermodule 3 zu einer Gesamt- Ausgangsspannung, welche an dem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse 1a, 1 b und 1 c der Energiespeichereinrichtung 1 bereitgestellt werden kann.

Eine beispielhafte Aufbauform der Energiespeichermodule 3 ist in Fig. 2 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 Batterien 5a bis 5k, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder Lithium-Ionen- Akkumulatoren aufweisen. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen 5a bis 5k in dem in Fig. 2 gezeigten Energiespeichermodul 3 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen 5a bis 5k ebenso möglich ist.

Die Energiespeicherzellenmodule 5 sind über Verbindungsleitungen mit

Eingangsanschlüssen der zugehörigen Koppeleinrichtung 7 verbunden. 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, welche bereits eine intrinsische Diode aufweisen, oder IGBT-Schalter ausgebildet sind. Die Koppelelemente 7a und 7c können dabei als linksseitige Halbbrücke 7e mit Mittelabgriff und die

Koppelelemente 7b und 7d als rechtsseitige Halbbrücke 7f mit Mittelabgriff ausgebildet sein. Die Mittelabgriffe der Halbbrücken 7e und 7f sind dabei jeweils mit einem der Modulausgangsanschlüsse 3a und 3b verbunden. Die Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d können derart angesteuert werden, beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Steuereinrichtung 6, dass das jeweilige

Energiespeicherzellenmodul 5 selektiv zwischen die Modulausgangsanschlüsse 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. Schließlich kann das Energiespeicherzellenmodul 5 beispielsweise in Rückwärtsrichtung zwischen die Ausgangsanschlüsse 3a und 3b geschaltet werden, indem das aktive Schaltelement des Koppelelements 7b und das aktive Schaltelement des Koppelelements 7c in einen geschlossenen Zustand versetzt werden, während die beiden übrigen aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7d in einen offenen Zustand versetzt werden. Durch geeignetes Ansteuern der Koppeleinrichtungen 7 können daher einzelne Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 gezielt und mit beliebiger Polung in die Reihenschaltung eines Energieversorgungszweigs Z integriert werden. Ein erster 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 dadurch eingestellt werden, dass die beiden aktiven

Schaltelemente der Koppelelemente 7a und 7b in offenem Zustand gehalten werden, während die beiden aktiven Schaltelemente der Koppelelemente 7c und 7d in

geschlossenen Zustand versetzt werden. Der erste Überbrückungszustand kann dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit als oberer aktiver Kurzschlusszustand, der zweite Überbrückungszustand als unterer aktiver Kurzschlusszustand bezeichnet werden.

Die Bezeichnungen„Kurzschlusszustand" sind dabei aus Sicht der elektrischen Maschine 2 gewählt, da die jeweiligen Maschinenwindungen kurzgeschlossen werden. In diesen Zuständen muss das jeweilige Energiespeichermodul 3 keine Ausgangsspannung mehr bereitstellen, das heißt, es fließt kein Strom mehr durch die jeweiligen

Energiespeichermodule 3. In die gewöhnliche Ansteuerstrategie, die beispielsweise durch die Steuereinrichtung 6 durchgeführt werden kann, um die Energiespeichereinrichtung 1 anzusteuern, können beide Kurzschlusszustände integriert werden, sei es in wechselnder Folge oder stromrichtungsabhängig.

Es kann nun der Fehlerfall eintreten, dass die aktiven Schaltelemente der

Koppelelemente 7a und 7c bzw. 7b und 7d einer der beiden Halbbrücken nicht mehr angesteuert, insbesondere schließend angesteuert werden können. Dadurch wird es nicht mehr möglich, die zugehörigen Energiespeicherzellen 5a bis 5k zu entladen, da sie nicht mehr in der erforderlichen Polarität in den Energieversorgungszweig Z geschaltet werden können. Problematisch kann es dabei sein, dass die Freilaufdioden der Koppelelemente 7a bis 7d ungewollt Strom aufnehmen, wenn eigentlich ein Kurzschlusszustand eingestellt werden soll, so dass die Energiespeicherzellen 5a bis 5k ungewollt aufgeladen werden. Beispielsweise kann in einem Fehlerfall der linksseitigen Halbbrücke, das heißt der Koppelelemente 7a und 7c, die Einstellung eines oberen aktiven Kurzschlusszustands dazu führen, dass statt des ungewollt nicht mehr schließenden aktiven Schaltelements des Koppelelements 7a die Freilaufdiode des Koppelelements 7c den Strom aufnimmt. Dies bedeutet, dass sich ein Stromflusspfad durch die Freilaufdiode des Koppelelements 7c, das Energiespeicherzellenmodul 5 sowie das geschlossene aktive Schaltelement des Koppelelements 7b ausbildet, was zu einem Laden der Energiespeicherzellen 5a bis 5k führt. Um nun zu verhindern, dass ungewollte Ladeströme in defekten Energiespeichermodulen 3 fließen, kann einerseits der gesamte Energieversorgungszweig Z mit dem defekten Energiespeichermodul 3 stillgelegt werden. Diese Vorgehensweise vermindert allerdings die Verfügbarkeit des Systems 100 im Gesamten. Es ist daher vorteilhaft, einen

Kurzschlusszustand in einem Energiespeichermodul 3 mit einer defekten Halbbrücke dynamisch einzustellen, um das Energiespeichermodul 3 sicher in dem

Energieversorgungszweig Z zu überbrücken, ohne dass ungewollte Ladeströme auftreten. Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige dynamische Ansteuerstrategie wird weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert.

Beispielhaft dient das System 100 in Fig. 1 zur Speisung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2, beispielsweise in einem elektrischen Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die

Energiespeichereinrichtung 1 zur Erzeugung von elektrischem Strom für ein

Energieversorgungsnetz 2 verwendet wird. Die Energieversorgungszweige Z können an ihrem zu einem Sternpunkt verbundenen Ende mit einem Bezugspotential 4

(Bezugspotentialschiene) verbunden werden. Das Bezugspotential 4 kann beispielsweise ein Massepotential sein. Auch ohne weitere Verbindung mit einem außerhalb der

Energieversorgungseinrichtung 1 liegenden Bezugspotential kann das Potential der zu einem Sternpunkt verbundenen Enden der Energieversorgungszweige Z per Definition als Bezugspotential 4 festgelegt werden.

Für die Erzeugung einer Phasenspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 1 a, 1 b und 1 c einerseits und der Bezugspotentialschiene 4 andererseits wird üblicherweise nur ein Teil der Energiespeicherzellenmodule 5 der Energiespeichermodule 3 benötigt. Deren Koppeleinrichtungen 7 können derart angesteuert werden, dass die Gesamt- Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweigs Z stufig in einem rechteckigen Spannungs-/Strom-Stellbereich zwischen der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten negativen Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 und der mit der Anzahl der Energiespeichermodule 3 multiplizierten positiven Spannung eines einzelnen Energiespeicherzellenmoduls 5 einerseits und dem negativen und dem positiven Nennstrom durch ein einzelnes Energiespeichermodul 3 andererseits eingestellt werden kann. Die Kurzschlusszustände werden daher in der gesamten Ansteuerstrategie

verhältnismäßig häufig eingesetzt, da ein Energiespeichermodul 3 in der Regel nur zu einem Bruchteil eines Ansteuerzyklus zur Bereitstellung der Gesamtausgangsspannung des Systems 100 beiträgt. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum dynamischen Einstellen von Kurzschlusszuständen in einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Energiespeichereinrichtung 1 , wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben. Das Verfahren 10 kann beispielsweise für eine Energiespeichereinrichtung 1 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebssystem 100, wie in Fig. 1 gezeigt, eingesetzt werden.

In einem ersten Schritt 1 1 kann zunächst ein Erfassen eines Fehlerfalls in einer der Halbbrücken 7e bzw. 7f eines der Energiespeichermodule 3 der

Energiespeichereinrichtung 1 erfolgen. Ein Fehlerfall kann dabei insbesondere ein ungewollter Betriebszustand sein, in dem die Funktionsfähigkeit der aktiven

Schaltelemente der Koppeleinrichtung 7 gestört ist. Beispielsweise kann die

Funktionsfähigkeit der aktiven Schaltelemente dahingehen gestört sein, dass sich aktiv kein geschlossener Zustand der aktiven Schaltelemente mehr einstellen lässt. Ein Ausfall der Ansteuerbarkeit der Koppelelemente 7a, 7b, 7c, 7d kann beispielsweise über das Messen des Spannungsabfalls über das aktive Schaltelement des jeweiligen

Koppelelements erfolgen. Ein intakter, eingeschalteter Leistungshalbleiterschalter sollte einen im Vergleich zur Ausgangsspannung des Energiespeicherzellenmoduls 5 geringen Spannungsabfall aufweisen.

In einem zweiten Schritt 12 des Verfahrens 10 kann ein Erfassen einer momentanen Stromrichtung eines Stromflusses durch den Energieversorgungszweig Z des mit dem Fehlerfall behafteten Energiespeichermoduls 3 erfolgen. Danach kann in einem dritten Schritt 13 ein Ansteuern der Koppelelemente 7a, 7c; 7b, 7d der anderen der beiden Halbbrücken 7e bzw. 7f zum Einstellen eines Überbrückungszustands des mit dem Fehlerfall behafteten Energiespeichermoduls 3 in Abhängigkeit von der erfassten momentanen Stromrichtung erfolgen. Dies erfolgt vorzugsweise im dynamischen

Wechsel, das heißt, es kann ein Einstellen eines ersten Überbrückungszustands über ein erstes Koppelelement 7a, 7b, 7c, 7d der anderen der beiden Halbbrücken 7e bzw. 7f für eine erste erfasste Stromrichtung und ein Einstellen eines zweiten

Überbrückungszustands über ein zweites Koppelelement 7a, 7b, 7c, 7d der anderen der beiden Halbbrücken 7e bzw. 7f für eine zweite erfasste Stromrichtung erfolgen. Beispielsweise kann für eine Stromrichtung von dem Modulausgangsanschluss 3a zu dem Modulausgangsanschluss 3b und einen Fehlerfall in der linksseitigen Halbbrücke 7e das Koppelelement 7b der rechtsseitigen Halbbrücke 7f geschlossen werden, um einen sicheren aktiven oberen Kurzschlusszustand herzustellen. Umgekehrt kann für eine Stromrichtung von den Modulausgangsanschluss 3b zu dem Modulausgangsanschluss 3a und einen Fehlerfall in der linksseitigen Halbbrücke 7e das Koppelelement 7d der rechtsseitigen Halbbrücke 7f geschlossen werden, um einen sicheren aktiven unteren Kurzschlusszustand herzustellen. Für eine Wechselspannung, die durch den

Energieversorgungszweig Z bereitgestellt wird, kann also im Wechsel der Halbwellen des Zweigstroms in dem Energieversorgungszweig Z zwischen dem ersten und zweiten Überbrückungszustand hin und her gewechselt werden.

Mit dem Verfahren 10 kann verhindert werden, dass der Energieinhalt der

Energiespeichereinrichtung 1 unkontrolliert ansteigt, ohne dass einer der

Energieversorgungszweige Z komplett stillgelegt werden müsste. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn bei einem Auftreten eines Fehlerfalls das jeweilige

Energiespeicherzellenmodul 5 des mit dem Defekt behafteten Energiespeichermoduls 3 nahezu voll geladen ist, da dann nur noch wenig Restenergie sicher in dem

Energiespeicherzellenmodul 5 sicher deponiert werden kann, und der

Energieversorgungszweig Z nur noch für kurze Zeit betrieben werden kann.

Das Verfahren 10 eignet sich also dazu, ein defektes Energiespeichermodul 3 sicher und dauerhaft in einem Energieversorgungszweig Z zu überbrücken, ohne dass

sicherheitskritische Betriebszustände auftreten können. In einem Fehlerfall ist daher die Funktionsfähigkeit des gesamten Systems nur marginal beeinträchtigt. Bei elektrischen Antriebssystemen in elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann im Fehlerfall daher eine Warnung bzw. ein Hinweis zum Aufsuchen einer Werkstatt an den Fahrer ausgegeben werden, das Fahrzeug bleibt aber nach wie vor zumindest eingeschränkt fahrtüchtig, beispielsweise in einem zeitlich prinzipiell nicht beschränkten Notlaufmodus.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren (10) zum dynamischen Einstellen von Kurzschlusszuständen in einer

Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Zweigausgangsspannung an einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (1 a, 1 b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, wobei die Vielzahl von

Energiespeichermodulen (3) jeweils aufweisen:

zwei Modulausgangsanschlüsse (3a; 3b);

eine Koppeleinrichtung (7) mit einer ersten Halbbrücke (7e) aus ersten

Koppelelementen (7a; 7c), welche über einen Mittelabgriff mit einem ersten der Modulausgangsanschlüsse (3a) gekoppelt ist, und einer zweiten Halbbrücke (7f) aus zweiten Koppelelementen (7b; 7d), welche über einen Mittelabgriff mit einem zweiten der Modulausgangsanschlüsse (3b) gekoppelt ist; und

ein Energiespeicherzellenmodul (5) mit mindestens einer Energiespeicherzelle (5a; 5k), welches zwischen die erste und zweite Halbbrücke (7e; 7f) gekoppelt ist, wobei die Koppeleinrichtung (7) dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu koppeln oder in jenem zu überbrücken,

wobei das Verfahren (10) die Schritte aufweist:

Erfassen (1 1) eines Fehlerfalls in einer der beiden Halbbrücken (7e, 7f) eines der Energiespeichermodule (3);

Erfassen (12) einer momentanen Stromrichtung eines Stromflusses durch den

Energieversorgungszweig (Z) des mit dem Fehlerfall behafteten

Energiespeichermoduls (3);

Ansteuern (13) der Koppelelemente (7a, 7c; 7b, 7d) der anderen der beiden

Halbbrücken (7e, 7f) zum Einstellen eines Überbrückungszustands des mit dem Fehlerfall behafteten Energiespeichermoduls (3) in Abhängigkeit von der erfassten momentanen Stromrichtung.

2. Verfahren (10) nach Anspruch 1 , wobei die Koppelelemente (7a, 7b, 7c, 7d) IGBT- Leistungshalbleiterschalter oder MOSFET-Leistungshalbleiterschalter umfassen, und wobei das Erfassen (11) eines Fehlerfalls das Erfassen eines Ausfalls der

Ansteuerbarkeit der Koppelelemente (7a, 7b, 7c, 7d) umfasst.

3. Verfahren (10) nach Anspruch 2, wobei das Erfassen eines Ausfalls der

Ansteuerbarkeit der Koppelelemente (7a, 7b, 7c, 7d) ein Messen einer über die

Leistungshalbleiterschalter abfallenden Spannung umfasst.

4. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ansteuern (13) der

Koppelelemente (7a, 7c; 7b, 7d) der anderen der beiden Halbbrücken (7e, 7f) zum Einstellen eines Überbrückungszustands ein Einstellen eines ersten

Überbrückungszustands über ein erstes Koppelelement (7a, 7b, 7c, 7d) der anderen der beiden Halbbrücken (7e, 7f) für eine erste erfasste Stromrichtung und ein

Einstellen eines zweiten Überbrückungszustands über ein zweites Koppelelement (7a, 7b, 7c, 7d) der anderen der beiden Halbbrücken (7e, 7f) für eine zweite erfasste Stromrichtung umfasst.

5. Elektrisches Antriebssystem (100), mit:

einer Energiespeichereinrichtung (1), welche eine Vielzahl von

Energieversorgungszweigen (Z) mit jeweils einer Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) zur Erzeugung einer Zweigausgangsspannung an einer Vielzahl von

Ausgangsanschlüssen (1 a, 1 b, 1 c) der Energiespeichereinrichtung (1) aufweist, wobei die Vielzahl von Energiespeichermodulen (3) jeweils aufweisen:

zwei Modulausgangsanschlüsse (3a; 3b);

eine Koppeleinrichtung (7) mit einer ersten Halbbrücke (7e) aus ersten

ein Energiespeicherzellenmodul (5) mit mindestens einer Energiespeicherzelle (5a; 5k), welches zwischen die erste und zweite Halbbrücke (7e; 7f) gekoppelt ist, wobei die Koppeleinrichtung (7) dazu ausgelegt ist, das Energiespeicherzellenmodul (5) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (Z) zu koppeln oder in jenem zu überbrücken; und

einer Steuereinrichtung (6), welche mit der Energiespeichereinrichtung (1) zum

Ansteuern der Koppeleinrichtungen (7) gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.

6. Elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit:

einem elektrischen Antriebssystem (100) nach Anspruch 5; und einer n-phasigen elektrischen Maschine (2) mit n Phasenanschlüssen, welche mit den Ausgangsanschlüssen (1a, 1 b, 1c) der Energiespeichereinrichtung (1) gekoppelt ist, wobei n > 1.