DE102012206801A1

DE102012206801A1 - Schaltung mit einer stromrichterschaltung und verfahren zur leistungsanpassung

Info

Publication number: DE102012206801A1
Application number: DE201210206801
Authority: DE
Inventors: Marco Jung
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-31

Abstract

Eine Schaltung weist einen ersten Spannungsanschluss, einen zweiten Spannungsanschluss, eine Stromrichterschaltung und eine Steuerschaltung auf. Die Stromrichterschaltung umfasst mindestens ein schaltbares Element und mindestens eine Drossel, wobei die Stromrichterschaltung zwischen dem ersten Spannungsanschluss und dem zweiten Spannungsanschluss zwischengeschaltet ist und ausgebildet ist, um eine Spannungsanpassung zwischen einer an dem ersten Spannungsanschluss anliegenden ersten Gleichspannung und einer an dem zweiten Spannungsanschluss anliegenden zweiten Gleichspannung vorzunehmen. Die Steuerung ist dazu ausgebildet, die Stromrichterschaltung mit einer variablen Schaltfrequenz zu steuern, wobei die variable Schaltfrequenz umso niedriger ist, je höher eine zu übertragende, elektrische Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Schaltung mit einer Stromrichterschaltung und auf ein Verfahren zur Leistungsanpassung einer Schaltung mit einer Stromrichterschaltung.
Stromrichterschaltungen dienen beispielsweise zur Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung, zur Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung oder zur Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung. Insbesondere werden im Zuge der Elektromobilität neue Anforderung an Stromrichter (Leistungselektronik) gestellt, die beispielsweise zur Batterieladung und zur Netzrückspeisung eingesetzt werden. Wichtige Eigenschaften hierbei sind die konforme Ladeleistung und die Kosten derartiger in das Fahrzeug eingebauter Ladeelektronik und der stationären Ladestationen.
Hierbei kommen häufig sogenannte Gleichspannungs-Schnellladestationen zum Einsatz, um eine schnelle Ladung einer Batterie eines Elektrofahrzeugs zu ermöglichen. Eine solche Gleichspannungs-Schnellladestation kann beispielsweise eine Topologie, wie sie in 7 dargestellt ist, aufweisen. 7 zeigt die Gleichspannungs-Schnellladestation 110 und eine über eine Schnittstelle 121 an diese Gleichspannungs-Schnellladestation 110 angeschlossener Antriebsstrang 120 eines Elektrofahrzeugs.
Der Antriebsstrang 120 eines Elektrofahrzeugs weist typischerweise eine Hochvoltbatterie 122 zur Speicherung der elektrischen Energie und einen Elektromotor 128 zur Umwandlung der elektrischen Energie in kinetische Energie auf. Da der Elektromotor 128 typischerweise mit Wechselspannung betrieben wird, wird die in der Hochvoltbatterie 122 als Gleichspannung gespeicherte elektrische Energie mit einem sogenannten Dreiphaseninverter 126 (Wechselrichter) in eine dreiphasige Wechselspannung umgewandelt. Die Ladung der Hochvoltbatterie 122 erfolgt im Schnelllademodus mittels einer Gleichspannung, die über die Schnittstelle 121 von der Gleichspannungs-Schnellladestation 110 bereitgestellt wird. Die Gleichspannungs-Schnellladestation 110 selbst weist typischerweise eine Leistungselektronik 114 auf, um auf Basis der aus dem Wechselspannungsnetz 105 entnommenen Wechselspannung an der Schnittstelle 121 nach Gleichrichtung und Anpassung eine entsprechende Gleichspannung bereitzustellen. Die Leistungselektronik 114 kann beispielsweise einen Eingangsgleichrichter 114a und einen DC/DC Wandler 114b aufweisen. Ferner kann die Leistungselektronik 114 eine galvanische Trennung 114c umfassen.
In der Patentschrift US 2011/0148353 A1 wird ein Schnellladeverfahren beschrieben, bei welchem das Fahrzeug bzw. die Batterie direkt an den Gleichspannungs-Bus der Gleichspannungs-Schnellladestation angeschlossen ist. An dem Gleichspannungs-Bus können auch mehrere Fahrzeuge parallel angekoppelt und mit Ladeleistung versorgt werden, wobei allerdings die Ladeleistung bei einer höheren Fahrzeuganzahl abnimmt. Im Fahrzeug sind dafür extra Komponenten für eine Gleichspannungs-Ladung mit geringerer Ladeleistung vorhanden, die zur Anpassung der Ladespannung bzw. des Ladestromes dienen. Grundsätzlich entspricht die Topologie, der bei diesem Konzept zum Einsatz kommenden Gleichspannungs-Schnellladestation, der unter 7 beschriebenen Topologie, wobei sich über mehrere Schnittstellen 121 mehrere Fahrzeuge parallel zum Laden ankoppeln können. Es wird ferner angemerkt, dass die von der Gleichspannungs-Schnellladestation zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung fest oder variabel sein kann. Über diese Ausgangsspannung muss dann die komplette Bandbreite der Batterieklemmspannung sowie die daraus resultierenden Ladeströme abgedeckt werden. Die Konsequenz hieraus ist, dass die aktiven sowie passiven Bauteile häufig nicht im optimalen Betriebsbereich arbeiten, was zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades führt. Des Weiteren sind derartige Gleichspannungs-Schnellladestationen, wie sie in 7 gezeigt sind, aufgrund der hohen Komponentenzahl sehr komplex und kostenintensiv.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, die einen verbesserten Kompromiss zwischen Komponentenzahl bzw. Komponentendimensionierung und übertragbarer elektrischer Leistung schafft.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Schaltung mit einem ersten Spannungsanschluss, einem zweiten Spannungsanschluss, einer Stromrichterschaltung und einer Steuerung. Die Stromrichterschaltung, die mindestens ein schaltbares Element und mindestens eine Drossel aufweist, ist zwischen dem ersten Spannungsanschluss und dem zweiten Spannungsanschluss zwischengeschaltet und ausgebildet, um eine Gleichspannungs-Anpassung zwischen einer an dem ersten Spannungsanschluss anliegenden ersten Gleichspannung und einer an dem zweiten Spannungsanschluss anliegenden zweiten Gleichspannung vorzunehmen. Die Steuerung ist dazu ausgebildet, die Stromrichterschaltung mit einer variablen Schaltfrequenz zu steuern, wobei die variable Schaltfrequenz umso niedriger ist, je höher eine zu übertragende elektrische Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss ist und umgekehrt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren darauf, dass erkannt wurde, dass eine Stromrichterschaltung bei gleichbleibender Dimensionierung der verwendeten Komponenten (z. B. Transistoren oder Drosseln) eine höhere elektrische Leistung übertragen kann, wenn die Schaltfrequenz, mit welcher die Stromrichterschaltung angesteuert wird, situationsbedingt reduziert wird. Hintergrund hierzu ist, dass bei geringerer Schaltfrequenz die Verluste der schaltbaren Elemente, wie z. B. der Transistoren der Halbbrücken (Leistungshalbleiter), reduziert werden, was zu einer Erhöhung der übertragbaren elektrischen Leistung führt. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Schaltfrequenz variabel in Abhängigkeit der zu übertragenden Leistung durch die Steuerung so geregelt wird, dass zu jeder Zeit ein optimaler Kompromiss aus zu übertragender, elektrischer Leistung bei geringer Komponentenzahl bzw. bei kleiner Dimensionierung der verwendeten Komponenten und der resultierenden Stromschwankungsbreite erzielt wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen weist die Stromrichterschaltung eine Mehrzahl von schaltbaren Elementen, die z. B. als Halbbrücken angeordnet sind, auf, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Ansteuergrad der schaltbaren Elementen in ihrer Phase zu verschieben. Bei einem in der Phase mit einem Phasenversatz von 360°/n verschobenen (n = Anzahl der schaltbaren Elementen bzw. Halbbrücken und zugeordneter Drossel) ergibt sich der Vorteil, dass die resultierende Stromschwankungsbreite und damit die Restwelligkeit der zur Verfügung gestellten ersten oder zweiten Gleichspannung an dem ersten oder dem zweiten Spannungsanschluss reduziert werden kann.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen weist die Stromrichterschaltung eine Anordnung mit n Halbbrücken (z. B. H4-Brücken-Anordnung) auf, die jeweils eine erste und eine zweite gemeinsame Potenzialführung aufweisen, über welche die Stromrichterschaltung mit dem zweiten Spannungsanschluss verbunden ist. Die n Halbbrücken sind jeweils über einen Mittelknoten mit den n Drosseln verbunden, welche mit dem ersten Spannungsanschluss koppelbar sind. Hierbei erfolgt die Ansteuerung der n Halbbrücken, also mit einem Phasenversatz von 360°/n, so dass die resultierende Stromschwankungsbreite reduziert werden kann. Dieses Prinzip ist z. B. bei einer Stromrichterschaltung mit drei Halbbrücken und drei Drosseln (B6-Halbbrücken-Anordnung) anwendbar. Die drei Halbbrücken weisen jeweils eine erste und eine zweite gemeinsame Potenzialführung auf, über welche die Stromrichterschaltung mit dem zweiten Spannungsanschluss verbunden ist. Die drei Halbbrücken sind jeweils über einen Mittelknoten mit einer Drossel verbunden, welche wiederum mit einem ersten Spannungsanschluss koppelbar ist. Um die resultierende Stromschwankungsbreite bei der B6-Anordnung der drei Halbbrücken zu reduzieren, werden die drei Halbbrücken jeweils um 120° phasenversetzt durch die Steuerung angesteuert.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Leistungsanpassung einer Schaltung, die einen ersten Spannungsanschluss, einen zweiten Spannungsanschluss und eine Stromrichterschaltung mit mindestens einer Drossel und mit mindestens einem schaltbaren Element aufweist. Das Verfahren weist den Schritt des Variierens der Schaltfrequenz in Abhängigkeit einer zu übertragenden, elektrischen Leistung auf, wobei die variable Schaltfrequenz umso niedriger ist, je höher eine zu übertragende, elektrische Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss ist und umgekehrt. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die maximale zu übertragende Leistung bzw. der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von einer maximal auszugebenden bzw. rückwirkenden resultierenden Stromschwankungsbreite mittels der Schaltfrequenz, die zur Ansteuerung der ein oder mehreren Halbbrücken dient, gesteuert werden kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung mit einer Stromrichterschaltung und einer Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Stromrichterschaltung mit einem zusätzlichen Wechselspannungsanschluss gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a ein schematisches Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Schaltfrequenz und der zu übertragenden elektrischen Leistung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3b ein schematisches Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Aussteuergrad und resultierender Stromschwankungsbreite gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung mit einer Stromrichterschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel in Kombination mit einer Hochvoltbatterie und einer E-Maschine;
5a–5b schematische Blockschaltbilder Stromrichterschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen in Kombination mit einem zusätzlichen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler;
6 ein schematisches Blockschaltbild einer Gleichspannungs-Schnellladestation zur Illustration der Anwendungsgebiete der Schaltung mit der Stromrichterschaltung gemäß Ausführungsbeispielen; und
7 ein schematisches Blockschaltbild der Topologie einer Gleichspannungs-Schnellladestation gemäß dem Stand der Technik.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1 zeigt eine Schaltung 10 mit einer Stromrichterschaltung 42, die mindestens ein schaltbares Element 42a_1 und eine Drossel 44a aufweist. Diese mindestens eine Drossel 44a bildet zusammen mit dem mindestens einen schaltbaren Element 42a_1 einen Aufwärtswandler oder Abwärtswandler bzw. Inverswandler oder Synchronwandler, der zwischen einem ersten Spannungsanschluss 18 und einem zweiten Spannungsanschluss 32 zwischengeschaltet ist und ausgebildet ist, eine Spannungsanpassung der Gleichspannung an dem ersten Spannungsanschluss 18 gegenüber der Gleichspannung an dem zweiten Spannungsanschluss 32 oder umgekehrt durchzuführen. Für diese Spannungs-Anpassung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss 18 und 32 wird die Stromrichterschaltung 42 und insbesondere das schaltbare Element 42a_1 von einer Steuerung 12, z. B. einer Logik angesteuert. Bei der nachfolgenden Diskussion der Funktionsweise der Schaltung 10 wird davon ausgegangen, dass an dem ersten Spannungsanschluss 18 eine erste Gleichspannung V_18ab und an den zweiten Spannungsanschluss 32 eine zweite Gleichspannung V_32ab angelegt wird.
Dieses Ansteuern des schaltbaren Elements 42a_1, z. B. eines Transistors oder Feldeffekttransistors, erfolgt z. B. periodisch, so dass eine Gleichspannungs-Anpassung zwischen einer ersten Gleichspannung V_18ab (zwischen den zwei Polen 18a und 18b des ersten Spannungsanschlusses 18) erfolgen kann. Diese Spannungsanpassung kann beispielsweise eine Hochsetzung, Tiefsetzung oder Inversion sein. Grundsätzlich basiert jede derartige Spannungsanpassung darauf, dass das schaltbare Element 42a_1 periodisch geöffnet und geschlossen wird, wobei bei jedem Öffnen oder bei jedem Schließen entweder Energie in der Drossel 44a gespeichert wird oder Energie der Drossel 44a entnommen wird. Durch dieses Schalten erfolgt eine Veränderung der Ausgangsspannung, wobei teilweise auch die Form der ausgegeben Spannung, z. B. infolge von entstehenden Rippeln (Restwelligkeit), verändert wird.
Die übertragbare Leistung mittels der Gleichspannung V_18ab bzw. V_32ab hängt von der Dimensionierung der Drossel 44a sowie des schaltbaren Elements 42a_1 ab. Durch die Dimensionierung der Drossel 44a ist die maximale elektrische Energie je Schaltvorgang vorgegeben. Deshalb wird bei konventioneller Dimensionierung der Elemente der Stromrichterschaltung 42 versucht, die feste Schaltfrequenz des schaltbaren Elements 42a_1 möglichst hoch zu wählen, so dass die Drossel 44a möglichst klein dimensioniert werden kann. Umgekehrt wurde herausgefunden, dass die elektrische übertragbare Leistung dadurch gesteigert werden kann, dass die Schaltfrequenz des schaltbaren Elements 42a_1 reduziert wird. Hintergrund hierzu ist, dass Schaltverluste, die bei jedem Schaltvorgang des schaltbaren Elements 42a_1 hervorgerufen werden, reduziert werden können, indem bei einer niedrigen Schaltfrequenz die Anzahl der Schaltvorgänge reduziert werden. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, um eine Schaltung an eine zu übertragende, elektrische Leistung anzupassen. Deshalb ist die Steuerung 12 dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der zu übertragenden, elektrischen Leistung zwischen dem ersten und zweiten Spannungsanschluss 18 und 32 die variable Schaltfrequenz f, z. B. in einem Bereich von 5 bis 20 kHz, anzupassen bzw. diese bei erhöhter zu übertragender Leistung zu reduzieren. Der genaue Zusammenhang zwischen zu übertragender Leistung und Schaltfrequenz f wird in dem in 3a dargestellten Diagramm detailliert erläutert.
Auch wenn die Funktionalität der Schaltung 10 anhand einer Spannungsanpassung zwischen einer Gleichspannung V_18ab und V_32ab, erläutert wurde wird ferner angemerkt, dass dieses Verfahren zur Steigerung der übertragbaren Leistung unter Reduzierung der Schaltfrequenz ebenfalls für eine Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung oder eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung einsetzbar ist, wie es im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
2 zeigt eine Schaltung 40 mit drei Anschlüssen, nämlich mit dem ersten Spannungsanschluss 18, mit dem zweiten Spannungsanschluss 32 und einem Wechselspannungsanschluss 24, der drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c aufweist. Über ein Schaltnetzwerk 46, welches zwischen der Stromrichterschaltung 42 und dem ersten Spannungsanschluss 18 angeordnet ist, kann der Wechselspannungsanschluss 24 je nach Schaltzustand an die Stromrichterschaltung 42 angekoppelt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die Stromrichterschaltung 42 drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c, die jeweils zwei schaltbare Elemente umfassen, und drei Drosseln 44a, 44b und 44c auf. Die Halbbrücken 42a, 42b und 42c werden jeweils durch mindestens zwei schaltbare Elemente realisiert, nämlich durch zwei erste schaltbare Elemente 42a_1 und 42a_2 in der ersten Halbbrücke 42a, durch zwei zweite schaltbare Elemente 42b_1 und 42b_2 in der zweiten Halbbrücke 42b und zwei dritte schaltbare Elemente 42c_1 und 42c_2 in der dritten Halbbrücke 42c. Zwischen den schaltbaren Elementen 42a_1 bzw. 42a_2, 42b_1 bzw. 42b_2 und 42c_1 bzw. 42c_2 sind jeweils die Mittelknoten 45a, 45b und 45c vorgesehenen, über die die Drosseln 44a, 44b und 44c und damit das Schaltnetzwerk 46 angekoppelt sind. Die drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c sind über eine erste gemeinsame Potenzialführung 48a mit dem ersten Pol 32a des Spannungsanschlusses 32 und über eine zweite gemeinsame Potenzialführung 48b mit dem zweiten Pol 32b des zweiten Spannungsanschlusses 32 verbunden. Das Schaltnetzwerk 46 verbindet also die drei Drosseln 44a, 44b und 44c in schaltbarer Weise mit dem Wechselspannungsanschluss 24 bzw. dem ersten Spannungsanschluss 18. Zudem ist eine Masseverbindung 47 vorgesehen, die das Schaltnetzwerk 46 mit der zweiten gemeinsamen Potenzialführung 48b der Stromrichterschaltung 42 (B6-Brückenschaltung) über einen Knoten 45d ankoppelt.
Das Schaltnetzwerk 46 dient dazu die unterschiedlichen Anschlüsse, nämlich den Wechselspannungsanschluss 24, und den ersten und zweiten Spannungsanschluss 18 bzw. 32 selektiv zu koppeln. Für die folgende Diskussion wird davon ausgegangen, dass sich das Schaltnetzwerk 46 in dem sogenannten nullten Schaltzustand befindet, in dem mindestens eine der drei Drosseln 44a, 44b und 44c, bevorzugterweise aber alle der drei Drosseln 44a, 44b und 44c und damit alle Halbbrücken 42a, 42b und 42c an den ersten Pol 18a des Spannungsanschlusses 18 über das Schaltnetzwerk 46 angeschlossen sind, während der Pol 18b des Spannungsanschlusses 18 mit der Masseverbindung 47 über das Schaltnetzwerk 46 gekoppelt ist. In diesem Schaltzustand wird bei geeigneter Beschaltung der Stromrichterschaltung 42 eine Gleich-Spannungsanpassung zwischen einer ersten Gleichspannung V_18ab an den ersten Spannungsanschluss 18 und einer zweiten Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32.
Wie oben erläutert, erfolgt die Ansteuerung der sechs schaltbaren Elemente 42a_1 bzw. 42a_2, 42b_1 bzw. 42b_2 und 42c_1 bzw. 42c_2 der drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c periodisch mit einer Schaltfrequenz, welche abhängig von der zu übertragenden elektrischen Leistung zwischen dem Spannungsanschluss 18 und dem Spannungsanschluss 32 bzw. zwischen dem Wechselspannungsanschluss 24 und dem Spannungsanschluss 32 ist und umgekehrt. Bei Reduzierung der Schaltfrequenz erfolgt eine wesentlich stärkere Ausprägung der sogenannten Stromrippel (Anstieg der Stromrippel in den Induktivitäten), was zu einer Steigerung der übertragbaren Leistung, aber auch zu erhöhten Restwelligkeit der ausgegebenen Spannung, z. B. der Gleichspannung V_32ab, führt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, bietet die Stromrichterschaltung 42 entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen der einzelnen Halbbrücken 42a, 42b und 42c bzw. der schaltbaren Elemente 42a_1 bzw. 42a_2, 42b_1 bzw. 42b_2 und 42c_1 bzw. 42c_2 gegeneinander in ihrer Phase zu verschieben und den Aussteuergrad zu verändern. Folglich werden die Halbbrücken 42a, 42b und 42c dann nacheinander angesteuert, so dass diese zeitlich versetzt die elektrische Energie übertragen, was in Summe zu demselben Energieübertrag, aber zu einer verminderten Restwelligkeit führt. Hintergrund hierzu ist, dass durch die phasenverschobene Ansteuerung der drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c der von jeder Halbbrücke 42a, 42b und 42c ausgegebene Stromrippel (hier 3 Stromrippel, aber bei n Halbbrücken n Stromrippel) zeitlich versetzt angeordnet wird. Dadurch wird der resultierende Stromrippel um ein vielfaches kleiner als bei einer Ansteuerung der Halbbrücken 42a, 42b und 42c ohne Phasenverschiebung. Das heißt also, dass eine Phasenverschiebung (im Bereich von 0° bis 360°) der Ansteuerung der Halbbrücken den resultierenden Eingangsstromrippel mindert. Bei dem vorliegenden Beispiel von drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c erfolgt eine um 120° (360°/3) phasenversetzte Ansteuerung der Halbbrücken 42a, 42b und 42c. Als Konsequenz ergibt sich eine wesentlich geringere resultierende Stromschwankungsbreite im Vergleich zu einer synchronen Ansteuerung der drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c, was den Vorteil bietet, dass die Schaltfrequenz f, mit der die einzelnen schaltbaren Elemente 42a_1 bzw. 42a_2, 42b_1 bzw. 42b_2 und 42c_1 bzw. 42c_2 angesteuert werden, so weit reduziert werden kann, bis die DC-Netz- bzw. DC-Busanschlussbedingungen gerade noch erfüllt sind.
Die Wechselspannungs-Netzanschlussbedingungen spielen insbesondere bei der Dimensionierung der Drosseln 44a, 44b und 44c (z. B. in einem Bereich von 0,5 mH bis 5,0 mH) eine Rolle. Die Drosseln 44a, 44b und 44c sind typischerweise unter Berücksichtigung der schaltbaren Elemente bzw. Leistungshalbleiter der Halbbrücken 42a, 42b und 42c unter Berücksichtigung der vorgesehenen Schaltfrequenz so ausgelegt, dass bei der Netzrückspeisung bzw. bei der Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung die Netzanschlussbedingungen eingehalten werden. Infolge dessen sind die Drosseln 44a, 44b und 44c für die reine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung sehr groß dimensioniert, so dass, wie oben beschrieben, insbesondere bei der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung die Schaltfrequenz zur Steigerung der übertragbaren, elektrischen Leistung problemlos reduziert werden kann.
Im Folgenden werden die weiteren Schaltzustände, die über das Schaltnetzwerk 46 eingestellt werden können, erläutert, wobei in der Darstellung von 2 exemplarisch die zwei ersten Schaltzustände 50 (Umwandlung von dreiphasiger Wechselspannung in Gleichspannung) und 52 (Umwandlung von einphasiger Wechselspannung in Gleichspannung und gleichzeitig von Gleichspannung in Gleichspannung) gezeigt sind.
Der erste Schaltzustand 50 dient zur dreiphasigen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung bzw. zur dreiphasigen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung. Hier werden die drei Drosseln 44a, 44b und 44c über das Schaltnetzwerk 46 mit drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c des Wechselspannungsanschlusses 24 gekoppelt, um durch geeignete Ankopplung der Brückenschaltung 42 basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss 32 anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 bzw. an den Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c eine Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c mit drei Phasen bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss 24 anliegenden Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c mit drei Phasen an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab zwischen dem ersten Pol 32a und dem zweiten Pol 32b bereitzustellen. In diesem ersten Schaltzustand 50 erfolgt die Umwandlung von Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c mit den drei Phasen in Gleichspannung V_32ab über die drei Drosseln 44a, 44b und 44c durch eine geeignete Ankopplung der drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c bzw. durch geeignetes Schalten von Schaltbauteilen in den Halbbrücken 42a, 42b und 42c.
Die Schaltung 40 ist dazu ausgebildet, um das Schaltnetzwerk 46 in den zweiten Schaltzustand 52 zu versetzen, der zur gleichzeitigen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung und Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung bzw. Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung dient, und in dem die erste Drossel 44a über das Schaltnetzwerk 46 mit einem der Phasenanschlüsse, z. B. dem Phasenanschluss 24a, des Wechselspannungsanschlusses 24 gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss 32 anliegender Gleichspannung V_32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 – oder genauer an dem Phasenanschluss 24a – die einphasige Wechselspannung V_24ab bereitzustellen oder basierend auf der an denn Phasenanschluss 24a anliegenden einphasigen Wechselspannung V_24ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitzustellen. Die Stromrichterschaltung 40 ist dazu ausgebildet, um die Halbbrücken 42a, 42b und 42c so anzusteuern, dass durch Zusammenwirken der Halbbrücken 42a und ggf. 42b mit den Drosseln 42a und ggf. 42b eine Gleichrichtung bzw. Wechselrichtung erreicht wird, wobei auch ggf. gleichzeitig eine Spannungserhöhung oder Spannungsverringerung stattfinden kann. In dem zweiten Schaltzustand 52 findet parallel zur Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, worunter sowohl eine Bereitstellung einer Gleichspannung V_32ab auf Basis einer Wechselspannung V_24ab als auch, alternativ, eine Bereitstellung einer Wechselspannung V_24ab auf Basis einer Gleichspannung V_32ab verstanden wird, eine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung statt: Hierbei ist eine weitere Drossel, also eine der Drosseln 44a, 44b und 44c, die in dem ersten Schaltzustand zwischen die Brückenschaltung 42 und den Wechselspannungsanschluss 24 geschaltet sind, wie zum Beispiel die Drossel 44c, über das Schaltnetzwerk 46 mit dem ersten Spannungsanschluss 18 – oder genauer mit dem ersten Pol 18a des Spannungsanschlusses 18 – gekoppelt, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss 32 zwischen den Polen 32a und 32b anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem ersten Spannungsanschluss 18 zwischen den Polen 18a und 18b eine Gleichspannung V_18ab bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Spannungsanschluss 18 anliegenden Gleichspannung V_18ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitzustellen. Bei dieser Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung ist der Pol 18a über die Drossel 44c mit der Brückenschaltung 42c an dem Mittelknoten 45c der Brückenschaltung 42c verbunden, während der zweite Pol 18b des ersten Spannungsanschlusses 18 beispielsweise direkt oder mittels eines Schalters über die Masseverbindung 47 mit der zweiten gemeinsamen Potenzialführung 48b der Stromrichterschaltung 42 verbunden ist und damit auch mit dem zweiten Pol 32b des zweiten Spannungsanschlusses 32. Bei dieser Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung bzw. bei der gleichzeitig dazu erfolgenden Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung oder Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung kann auch ggf. eine Spannungsanpassung (Erhöhung oder Reduzierung) ermöglicht werden.
Im Folgenden werden optionale Erweiterungen der Grundfunktionalität der Schaltung 40 beschrieben, die es ermöglichen, mit vergleichsweise geringem Mehraufwand einen deutlich erhöhten Funktionsumfang zu erreichen. Die Schaltung 40 ist ferner dazu ausgebildet, um das Schaltnetzwerk 46 in einen dritten Schaltzustand zu versetzen, der dazu dient, um einphasige Wechselspannung in Gleichspannung V_32ab oder umgekehrt zu wandeln. In dem dritten Schaltzustand, in dem eine der drei Drosseln 44a, 44b oder 44c über das Schaltnetzwerk 46 mit einem der Phasenanschlüsse 24a, 24b oder 24c des Wechselspannungsanschlusses 24 gekoppelt ist, ist die Schaltung 40 dazu ausgebildet, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss 32 anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 eine einphasige Wechselspannung V_24ab bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss 24 anliegenden einphasigen Wechselspannung V_24ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitzustellen. In anderen Worten stellt dieser dritte Schaltzustand einen analogen Schaltzustand zu dem zweiten Schaltzustand 52 dar, wobei keine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung zwischen dem zweiten Spannungsanschluss 32 und dem ersten Spannungsanschluss 18 stattfindet.
Ferner kann die Schaltung 40 ausgebildet sein, um das Schaltnetzwerk 46 in einen vierten Schaltzustand zu versetzen, der dazu dient, um splitphasige Wechselspannungen V_24ab und V_24cb in Gleichspannung V_32ab oder umgekehrt zu wandeln. Das Schaltnetzwerk 46 ist in dem vierten Schaltzustand dazu ausgebildet, mindestens zwei der drei Drosseln, z. B. die Drosseln 44a und 44c, mit zwei unterschiedlichen Phasenanschlüssen 24a und 24c des Wechselspannungsanschlusses zu koppeln. Diese besondere Konfiguration zwischen zwei Wechselspannungsphasen, die um 180° versetzt sind, wird Splitphase bzw. aufgeteilte Phase genannt. Bei diesem vierten Schaltzustand ist der Wechselspannungsanschluss 24 über das Schaltnetzwerk 46 und über zwei Drosseln 44a und 44c an die Brückenschaltung 42 angekoppelt.
Ferner wird angemerkt, dass die Schaltung 40 einen Nullleiter (nicht dargestellt) aufweisen kann, gegenüber welchem eine Wechselspannung, z. B. V_24ab und V_24cb, angelegt bzw. abgegriffen werden kann. Dieser könnte z. B. an den Mittelpunkt einer Serienschaltung zweier Kondensatoren zwischen 32a und 32b angeschlossen werden. Alternativ kann der Nullleiter bzw. Rückleiter in Abhängigkeit des Schaltzustandes über das Schaltnetzwerk 46 auch direkt an einer der Drosseln angeschlossen sein, um damit eine mögliche Schieflast im z. B. Splitphase-Inselnetz ausregeln zu können.
3a zeigt eine Gegenüberstellung zwischen übertragbarer Leistung P und zugehöriger Schaltfrequenz f. Die übertragbare Leistung P nimmt mit abnehmender Schaltfrequenz f zu, wie bereits oben erläutert wurde. Exemplarisch sind zwei Betriebspunkte 130 und 132 dargestellt. Der erste Betriebspunkt 130 bezieht sich auf die dreiphasige Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung bzw. die dreiphasige Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung, während sich der zweite Betriebspunkt 132 auf die Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung mit derselben Schaltung bezieht. Der Betriebspunkt 130 bietet eine maximal übertragbare Leistung von P_AC3, bei der die Netzanschlussbedingungen erfüllt sind, so dass die Komponenten der Schaltung (z. B. die Drosseln) für diesen Betriebspunkt 130, also bei der vorgegebenen Frequenz f_AC3+DC1, hin ausgelegt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, dass die maximale Schaltfrequenz f_AC3+DC1 durch die Induktivitätswerte, Halbleiter und Schaltfrequenzen zur Einhaltung der dreiphasigen AC- bzw. DC-Netzanschlussbedingungen (bei DC-Steller der einphasigen Anschlussbedingungen ohne Phasenverschiebung) festgelegt wird. Der Betriebspunkt 132 symbolisiert eine Steigerung der übertragbaren Leistung P_DC3, die im Vergleich zur übertragbaren Leistung P_AC3 ca. um 30% höher ist, durch Reduzierung der Schaltfrequenz f_DC3 (im Vergleich zu f_AC3+DC1). Eine derartige Reduzierung der Schaltfrequenz f würde typischerweise zu einer Vergrößerung der resultierenden Stromschwankungsbreite führen, wobei bei der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung dieses, wie bereits oben beschrieben, kompensiert werden kann, indem die Halbbrücken phasenverschoben angesteuert werden. Die minimale Schaltfrequenz f_DC3 hierbei definiert sich auf Basis der Netzanschlussbedingungen aus der Beziehung zwischen dem maximal zulässigen Eingangsstromrippel ΔÎ_AC3+DC1 und der Schaltfrequenz f_DC3 sowie der entsprechenden Anzahl der phasenverschoben angesteuerten n Halbbrücken. Das Minimum der Schaltfrequenz f_DC3 liegt also an der Stelle, an der die Beziehung ΔÎ_DC3 = ΔÎ_AC3+DC1 = ΔÎ_DCn gilt.
3b zeigt ein qualitatives Diagramm des gemäß den Netzanschlussbedingungen maximal zulässigen Stromrippels bzw. Stromschwankungsbreite aufgetragen über den Aussteuergrad. Das Stromrippelmaximum ΔÎ_AC3+DC1 liegt beim Aussteuergrad 0,5 bei der festgelegten Schaltfrequenz f_AC3+DC1, wie anhand des Graphen 134 für einen einphasigen Hochsetzsteller bzw. für eine B6-Brücke qualitativ dargestellt ist. Die drei Graphen 136a, 136b und 136c für einen dreiphasigen Hochsetzsteller illustrieren im Vergleich zu dem Graphen 134 eine erhebliche Reduzierung der Stromrippel ΔÎ_DC3 mittels des oben erläuterten Prinzips der zeitlichen Verschiebung der Schaltfrequenz. Ferner sind in den Graphen 138a und 138b der resultierende maximale Stromrippel ΔÎ_AC2+DC2 für einen zweiphasigen Hochsetzsteller bzw. bei Verwendung von zwei der drei Halbbrücken einer B6-Brücke mit DC-Anschluss (18) und Phasenverschiebung dargestellt.
4 zeigt die Schaltung 40, bei der an den zweiten Spannungsanschluss 32 (Hochvolt-Gleichspannungs-Bus) ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 und über diesen eine Hochvoltbatterie 30 bzw. Fahrzeugbatterie 30 angeschlossen ist. Ferner ist die Schaltung 40 über den Wechselspannungs-Anschluss 24 dreiphasig an ein Wechselspannungs-Netz 26 und über den Spannungsanschluss 18 an ein Gleichspannungsnetz 20 angeschlossen.
Grundsätzlich entspricht der Aufbau der Schaltung 40 dem in 2 gezeigten Aufbau, wobei das Schaltnetzwerk 46 durch drei Schalter 62a, 62b und 62c zur selektiven Ankopplung des Wechselspannungsanschlusses 24 an die Stromrichterschaltung 42 und durch vier Schalter 64a, 64b, 64c und 65 zur selektiven Ankopplung des Spannungsanschlusses 18 an die Stromrichterschaltung 42 realisiert ist. Ferner weist das Schaltungswerk 46 einen Netzschalter 66a auf, über den der Wechselspannungsanschluss 24 vollständig abkoppelbar ist. Im Folgenden wird nun das Schaltnetzwerk 46 und insbesondere die Schalterkombinationen, die die einzelnen Schaltzustände ausbilden, detailliert erläutert.
Der Schalter 62a verbindet die Drossel 44a mit denn Netzschalter 66a und diesen (über den Netzschalter 66a) mit dem ersten Phasenanschluss 24a, der Schalter 62b verbindet die Drossel 44b mit dem Netzschalter 66a und diesen mit dem zweiten Phasenanschluss 24b und der Schalter 62c, verbindet die Drossel 44c mit dem Netzschalter 66a und diesen mit dem dritten Phasenanschluss 24c. Die Schalter 62a, 62b und 62c sind ausgebildet, um, abhängig von dem jeweiligen Schaltzustand, entweder alle der drei Drosseln 44a, 44b und 44c an die drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c anzukoppeln oder eine echte Teilmenge der drei Drosseln, zum Beispiel die Drosseln 44a und 44c, an eine echte Teilmenge der drei Phasenanschlüsse, zum Beispiel an die Phasenanschlüsse 24a und 24c, anzukoppeln oder alle drei Drosseln 44a, 44b und 44c von dem Wechselspannungsanschluss 24 abzukoppeln. Der Netzschalter 66a koppelt gleichzeitig alle drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c an die drei Schalter 62a, 62b und 62c an oder von den drei Schalter 62a, 62b und 62c ab. Die Drosseln 44a, 44b und 44c sind zudem in schaltbarer Weise mit dem ersten Pol 18a des ersten Spannungsanschlusses 18 verbunden, so dass die erste Drossel 44a über den ersten Schalter 64a an den Pol 18a ankoppelbar ist bzw. so dass die zweite Drossel 44b über den zweiten Schalter 64b an den Pol 18a ankoppelbar ist bzw. so dass die dritte Drossel 44c über den dritten Schalter 64c an den ersten Pol 18a ankoppelbar ist. Die Schalter 62a, 62b und 62c sind also ausgebildet, um alle drei Drosseln 44a, 44b und 44c oder eine echte Teilmenge der drei Drosseln 44a, 44b und 44c an den ersten Pol 18a des ersten Spannungsanschlusses 18 anzukoppeln oder abzukoppeln. Zudem umfasst das Schaltnetzwerk 46 den weiteren Schalter 65 für die Masseverbindung 47, mit dem die zweite gemeinsame Potenzialführung 48b der Brückenschaltung 42 über den Knoten 45d an den zweiten Pol 18b des ersten Spannungsanschlusses 18 angekoppelt werden kann.
Für jeden der Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c ist optional jeweils eine Kapazität 68a, 68b und 68c vorgesehen. Die drei Kapazitäten 68a, 68b und 68c bzw. Netzkondensatoren einer Filteranordnung 68 sind auf einer ersten Seite in schaltbarer Weise mittels eines Schalters 66b an einen Nullleiter ankoppelbar. An einer zweiten Seite der Filteranordnung 68 sind jeweils die Kondensatoren 68a, 68b und 68c über den Netzschalter 66a mit dem jeweiligen zugeordneten Phasenanschluss 24a, 24b und 24c verbunden bzw. über die Schalter 62a, 62b und 62c mit den Drosseln 44a, 44b und 44c. Des Weiteren ist zwischen der ersten und zweiten Potentialführung 48a und 48b eine Zwischenkreiskapazität 72, die beispielsweise aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren oder eine Super-Kapazität bestehen kann, vorgesehen. Eine weitere Kapazität 74 für den ersten Spannungsanschluss 18 ist zwischen dem ersten Pol 18a und dem zweiten Pol 18b des Spannungsanschlusses 18 vorgesehen, wobei die Kapazität 74 ebenfalls als Super-Kapazität realisiert sein kann.
Im Folgenden werden die fünf Schaltzustände anhand der Schaltkombinationen in dem Schaltnetzwerk 46 erläutert. Für jeden Schaltzustand werden die geschlossenen Schalter genannt, während davon ausgegangen wird, dass die nicht-erwähnten Schalter in dem Schalternetzwerk 46 nicht-geschlossen bzw. geöffnet sind.
In dem nullten Schaltzustand, der zur Gleichspannungsladung, beispielsweise der Batterie 30, oder zur Gleichspannungs-Rückspeisung bzw. zur Bereitstellung einer Gleichspannungsversorgung dient, sind die Schalter 64a, 64b und 64c geschlossen und so der erste Pol 18a des ersten Spannungsanschluss 18 an die Mittelknoten 45a, 45b und 45c über die drei Drosseln 44a, 44b und 44c angekoppelt. In diesem nullten Schaltzustand ist der (optionale) Schalter 65 geschlossen und so der zweite Pol 18b des ersten Spannungsanschlusses 18 an die zweite Potentialführung 48b angekoppelt. Durch die Verwendung aller drei Drosseln 44a, 44b und 44c in dem nullten Schaltzustand ist eine besonders Leistungsfähige Energieübertragung zwischen der Batterie 30 und dem ersten Spannungsanschluss möglich.
In dem ersten Schaltzustand 50 zur dreiphasigen Ladung, beispielsweise der Batterie 30, bzw. zur dreiphasigen Rückspeisung sind die Drosseln 44a, 44b und 44c über die geschlossenen Schalter 62a, 62b und 62c und den geschlossenen Netzschalter 66a mit dem dreiphasigen Wechselspannungsanschluss 24 bzw. den Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c gekoppelt. In dem zweiten Schaltzustand 52 sind die zwei Schalter 62a und 62b zur Ankopplung der Drosseln 44a und 44b an die Phasenanschlüsse 24a und 24b sowie der Netzschalter 66a geschlossen. Des Weiteren ist der erste Pol 18a des ersten Spannungsanschlusses 18 über den geschlossenen Schalter 64c und die Drossel 44c an die Brückenschaltung 42 gekoppelt, während der zweite Pol 18b des ersten Spannungsanschlusses 18 über den Schalter 65 an die Brückenschaltung 42 bzw. genauer an die Potenzialführung 48b der Brückenschaltung 42 gekoppelt ist. In dem dritten Schaltzustand sind die Schalter 62a und 62b sowie der Netzschalter 66a geschlossen und die Drosseln 44a und 44b sind somit mit den Phasenanschlüssen 24a und 24b gekoppelt, wodurch eine einphasige Ladung, beispielsweise der Batterie 30, ermöglicht wird. In diesem Ausführungsbeispiel dient der vierte Schaltzustand zum Anschluss an ein Split-Phasen-Netz zur Ladung der Batterie 30 oder zur Entladung der Batterie 30 bzw. zur Rückspeisung oder Inselnetzbildung. In dem vierten Schaltzustand sind die Schalter 62a, 62b und 62c sowie der Netzschalter 66a geschlossen. In diesem vierten Schaltzustand ist auch eine Split-Phasen-Rückspeisung möglich.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch diesen multifunktionalen Stromrichter 40 ermöglicht wird, dass mittels der gleichen Leistungselektronik 42 und Drosseln 44a, 44b, 44c alle europäischen Netzformen, sowie die für Nordamerika typische Splitphase an dem Wechselspannungsanschluss 24 zur Ladung und Rückspeisung eingesetzt werden kann. Außerdem kann an dem Spannungsanschluss 18 ein Gleichspannungsnetz 20, wie z. B. von einer Gleichspannungs-Schnellladestation, einem Generator, einer Supercap oder einer induktiven Energieübertragungsstrecke angekoppelt werden. Da alle Komponenten bidirektional arbeiten, sind jederzeit eine Ladung der Batterie 30 sowie eine Rückspeisung möglich.
In allen Schaltzuständen liegt bei diesem Ausführungsbeispiel an dem Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung an, so dass sozusagen ein Hochvolt-Gleichspannungs-Bus ausgebildet wird, bei dem das Spannungsniveau einerseits von der Energieflussrichtung (z. B. vom Wechselspannungs-Netz 26 oder Gleichspannungs-Netz 20 zur Batterie 30, von der Batterie 30 zu dem Wechselspannungs-Netz 26 oder dem Gleichspannungs-Netz 20 oder von der Batterie 30 zu dem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler 71 des Antriebsstromrichters) und andererseits von der Batteriespannung 30, von der ungesteuerten Netzgleichrichtspannung 26 und der Ausgangsspannung des Gleichspannungs-Netzes 20 selbst abhängig ist. Um Niveauunterschiede zwischen dem Gleichspannungsnetz 20 und der Spannung der Hochvoltbatterie 30 auszugleichen, kann entweder die Stromrichterschaltung 42 alleine oder in Kombination mit dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 eingesetzt werden. Dieser Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 dient insbesondere dazu, um die Batteriespannung der Batterie 30 exakt anzupassen, wenn z. B. nach einer Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung durch die Stromrichterschaltung 42 eine andere Gleichspannung als die Batteriespannung in dem Hochvolt-Gleichspannungs-Bus zur Verfügung gestellt wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann an dem Spannungsanschluss 32 bzw. den Hochvolt-Gleichspannungs-Bus auch ein Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler 71 angeschlossen werden, der dazu dient, um hier eine E-Maschine 73 anzukoppeln. Dieser Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler 71, der z. B. für die gleichen Leistungen ausgelegt ist wie der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70, kann je nach Ausführungsform der E-Maschine 73 einphasig oder dreiphasig ausgeführt sein.
5a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung 40, bei der die schaltbaren Elemente 42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1 und 42c_3 jeweils als parallel geschaltete Transistor-Dioden-Kombination ausgeführt sind. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel aus 4 ist an den Spannungsanschluss 32 ein Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler 70 angeschlossen, der grundsätzlich denselben Aufbau wie die Schaltung 42 (B6-Brückenanordnung) aufweisen kann. Hier sind jeweils die ersten und zweiten Potentialführungen der zwei B6-Brückenanordnungen miteinander gekoppelt, wobei zwischen der ersten und zweiten Potentialführung eine Zwischenkreiskapazität 72 vorgesehen ist. An dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 ist wiederum die Hochvoltbatterie 30 angeschlossen, wobei der erste Pol über einen Knoten mit den drei Drosseln und damit mit dem Mittelknoten der drei Halbbrücken des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers 70 verbunden ist, und wobei der zweite Pol mit der zweiten gemeinsamen Potentialführung (vgl. 48b) verbunden ist. Parallel zu der Hochvoltbatterie 30 kann ebenfalls eine Kapazität 81 zwischen dem gemeinsamen Knoten der drei Drosseln und der zweiten gemeinsamen Potentialführung vorgesehen sein. Die grundsätzliche Funktionalität entspricht dem Ausführungsbeispiel aus 4. Die vorgesehene übertragbare Leistung der Stromrichterschaltung der Schaltung 40 ist typischerweise um ein vielfaches kleiner als die vorgesehene übertragbare Leistung der Stromrichterschaltung des Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlers 71. Des Weiteren ist es möglich, die in 5a aufgezeigte Topologie auch parallel und losgelöst zum Antriebsstrang einzusetzen. Dabei wäre die Leistungsdimensionierung des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers 70 gleich der Schaltung 42. Hierbei würde das gleiche Verfahren zur Leistungsanpassung greifen wie zuvor beschrieben.
5b illustriert den nullten Schaltzustand, indem das Gleichspannungs-Netz 20 eine Stromrichterschaltung 42 und damit über den Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler 70 an die Hochvoltbatterie 30 angekoppelt ist. Hierbei sind dann die Schalter 62a, 62b und 62c geöffnet, während die Schalter 64a, 64b und 64c sowie der Schalter 65 geschlossen sind. Dieser nullte Schaltzustand dient zum Schnellladebetrieb der Hochvoltbatterie 30, wobei dann die Stromrichterschaltung 42 als dreiphasiger Hochsetzsteller und die Stromrichterschaltung des Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlers 70 als dreiphasiger Tiefsetzsteller fungiert.
Bezug nehmend auf 5a wird angemerkt, dass bei Anschluss eines ersten Pols des Gleichspannungs-Netzes 20 an die erste Drossel 44a und/oder an die zweite Drossel 44b und bei gleichzeitigem Anschluss des zweiten Pols des Gleichspannungs-Netzes 20 an die dritte Drossel 44c eine Leistungssteigerung erzielt werden kann. Deshalb kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ein Gleichspannungs-Netz an den Wechselspannungs-Anschluss 24, der als erster Spannungsanschluss fungiert, so angeschlossen werden, dass an den ersten Pol des Gleichspannungs-Netzes mindestens eine Drossel 44a über den Schalter 62a angekoppelt ist, während ein zweiter Pol des Gleichspannungs-Netzes an die dritte Drossel 44c über den Schalter 62c angekoppelt ist. Zur weiteren Leistungssteigerung könnte die zweite Drossel 44b über den Schalter 62b parallel zu der ersten Drossel 44a mit denn ersten Pol des Gleichspannungs-Netzes verbunden werden. Es wird ferner angemerkt, dass bei diesem Ausführungsbeispiel nur zwei der drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c aktiv zur Stromglättung durch Phasenverschiebung eingesetzt werden könnten (vgl. 3b ΔÎ_AC2+DC2). Vorteilhaft wirkt sich die in Serie geschaltete Induktivität des Rückstromkreises aus, da der Strom zusätzlich geglättet wird. Hierdurch erfolgt allerdings eine Begrenzung des maximalen Stroms.
6 zeigt eine mögliche Anwendung der oben beschriebenen Schaltung 40 bzw. der Schaltung 10. Hierbei ist eine Schnellladestation 140 dargestellt, die eine galvanische Trennung 142 und eine Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung 144 zur Wandlung von dreiphasiger Wechselspannung 26 in Gleichspannung aufweist. Die Schnellladestation 140 weist einen Gleichspannungs-Bus 146 auf, an den mehrere Fahrzeuge 148a, 148b und 148c parallel angeschlossen werden können. Jedes der Fahrzeuge 148a, 148b und 148c weist eine Schaltung 10 oder 40 zur fahrzeug-individuellen Spannungsanpassung auf und ist über den ersten Spannungsanschluss 18 mit dem Gleichspannungs-Bus 146 verbunden.
Der über die galvanische Trennung 142 getrennte Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 144 stellt auf Basis des dreiphasigen Wechselspannungs-Netzes 26 eine Gleichspannung an dem Gleichspannungs-Bus 146, z. B. 100 V oder 600 V für alle Fahrzeuge 148a, 148b und 148c zur Verfügung. Auch wenn die Fahrzeuge 148a, 148b und 148c unterschiedliche Hochvoltbatterien mit unterschiedlichen Spannungen eingebaut haben, können alle drei Fahrzeuge 148a, 148b und 148c gleichzeitig mit maximaler zur Verfügung stehender Leistung geladen werden, da eine fahrzeug-individuelle Hochsetzung oder Tiefsetzung der von dem Gleichspannungs-Bus 146 zur Verfügung gestellten Gleichspannung auf die fahrzeugindividuelle Batteriespannung erfolgen kann. Diese Spannungsanpassung wird mittels der in den Fahrzeugen 148a, 148b und 148c eingebauten Schaltung 10 bzw. 40 durchgeführt. Diese Gleichspannungs-Schnellladestation 140 weist gegenüber den konventionellen Gleichspannungs-Schnellladestationen den Vorteil auf, dass eine erhebliche Reduzierung der Komponentenzahl erfolgen kann (vgl. 6 und 7). Ferner ermöglicht dieses Konzept aufgrund der unterschiedlichen Anpassungsvarianten (Spannungsanpassung, Änderung der Netzform, Leistungsanpassung durch Veränderung der Schaltfrequenz und synchrone und asynchrone Phasenverschiebung der Halbbrücken und Drosseln) mittels der Schaltung 10 bzw. 40 eine individuelle und kosteneffiziente Dimensionierung der in den jeweiligen Fahrzeugen 148a, 148b und 148c verbauten Komponenten ohne einer Standardisierung (z. B. von Ladestationen) entgegenzuwirken.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Gleichspannungs-Bus 146 zusätzlich oder alternativ mit Energie von einer Gleichstromquelle 150, wie z. B. einer Photovoltaikanlage, gespeist werden. Zur Spannungsanpassung ist dann zwischen dem Gleichspannungs-Bus 146 und der Gleichstromquelle 150 ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 152 (DC/DC-Steller) vorgesehen. Die Gleichspannungs-Schnellladestation 140 kann ferner als bidirektionaler Zentralwechselrichter fungieren und so die mittels der Gleichspannungsquelle 150 erzeugte Energie in das Wechselspannungs-Netz 26 (nach Wechselrichtung mit dem Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 144) zurückspeisen.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Bezug nehmend 2 als B6-Anordnung dargestellte Stromrichterschaltung 42 auch eine anderen Anzahl n der Halbbrücken, z. B. sechs oder zwölf Halbbrücken, aufweisen. Hierbei verändert sich dann folglich die Anzahl der Drosseln (= n) und der schaltbaren Elemente (= 2n). Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Bezug nehmend 2 als B6-Anordnung dargestellte Stromrichterschaltung 42 auch eine H4-Anordnung mit zwei Halbbrücken aufweisen, wobei dann keine dreiphasige Wechselspannungswandlung erfolgen kann.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Bezug nehmend 2 die Steuerung (nicht dargestellt) zusammen mit dem Schaltnetzwerk 46, die einzelne Halbbrücken in Abhängigkeit der zu übertragenden Leistung aktivieren und deaktivieren. Hierdurch wird eine stufenweise Leistungsanpassung ermöglicht, wodurch die Verluste durch gezieltes Deaktivieren von schaltbaren Elementen 42a_1 bzw. 42a_2, 42b_1 bzw. 42b_2 und 42c_1 bzw. 42c_2 weiter reduziert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0148353 A1 [0005]

Claims

Schaltung (10, 40) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Spannungsanschluss (18); einem zweiten Spannungsanschluss (32); einer Stromrichterschaltung (42) mit mindestens einem schaltbaren Element (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) und mindestens einer Drossel (44a, 44b, 44c), wobei die Stromrichterschaltung (42) zwischen dem ersten Spannungsanschluss (18) und dem zweiten Spannungsanschluss (32) zwischengeschaltet ist und ausgebildet ist, um eine Spannungsanpassung zwischen einer an dem ersten Spannungsanschluss (18) anliegenden ersten Gleichspannung (V_18ab) und einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden zweiten Gleichspannung (V_32ab) vorzunehmen; und einer Steuerung (12), die ausgebildet ist, die Stromrichterschaltung (42) mit einer variablen Schaltfrequenz (f) zu steuern, wobei die variable Schaltfrequenz (f) umso niedriger ist, je höher eine zu übertragende, elektrische Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss (18, 32) ist.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 1, wobei die Stromrichterschaltung (42) eine Mehrzahl von schaltbaren Elementen (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) umfasst, und wobei die Steuerung (12) ausgebildet ist, die schaltbaren Elemente (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) mit einer Phasenverschiebung von zumindest zwei der schaltbaren Elemente (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) mit der variablen Schaltfrequenz (f) anzusteuern.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromrichterschaltung (42) eine Mehrzahl von schaltbaren Elementen (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) umfasst, welche als n Halbbrücken (42a, 42b, 42c) angeordnet sind, wobei die n Halbbrücken (42a, 42b, 42c) jeweils eine erste und eine zweite gemeinsame Potentialführung (48a, 48b) aufweisen, über welche die Stromrichterschaltung (42) mit dem zweiten Spannungsanschluss (32) verbunden ist, und wobei die n Halbbrücken (42a, 42b, 42c) jeweils über einen Mittelknoten (45a, 45b, 45c) mit den n Drosseln (44a, 44b, 44c) verbunden sind und wobei mindestens eine der n Drosseln (44a, 44b, 44c) mit dem ersten Spannungsanschluss (18) verbunden ist.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 3, wobei die Steuerung (12) ausgebildet ist, um die n Halbbrücken (42a, 42b, 42c) mit einem Phasenversatz von 360°/n anzusteuern.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromrichterschaltung (42) eine Mehrzahl von schaltbaren Elementen (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) umfasst, welche als drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c) angeordnet sind, wobei die drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c) jeweils eine erste und eine zweite gemeinsame Potentialführung (48a, 48b) aufweisen, über welche die Stromrichterschaltung (42) mit dem zweiten Spannungsanschluss (32) verbunden ist, und wobei die drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c) jeweils über einen Mittelknoten (45a, 45b, 45c) mit den drei Drosseln (44a, 44b, 44c) verbunden sind und wobei eine von mindestens drei Drosseln (44a, 44b, 44c) mit dem ersten Spannungsanschluss (18) verbunden ist.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerung (12) ausgebildet ist, um die drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c) jeweils um 120° phasenversetzt anzusteuern.
Schaltung (10, 40) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerung (12) ausgebildet ist, um zur Spannungsanpassung eine zusätzliche Halbbrücke (42a, 42b, 42c) der Stromrichterschaltung (42) bei höherer zu übertragender, elektrischer Leistung zuzuschalten.
Schalter gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Schaltung (10, 40) einen einphasigen Wechselspannungsanschluss (24) aufweist und die Stromrichterschaltung (42) ausgebildet ist, um eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung und/oder eine Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung zwischen einer an dem ersten Spannungsanschluss (18) anliegenden ersten Gleichspannung (V_18ab) und/oder der an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden zweiten Gleichspannung (V_32ab) und einer an dem einphasigen Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden einphasige Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) durchzuführen.
Schalter gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Schaltung (10, 40) einen dreiphasigen Wechselspannungsanschluss (24) aufweist und die Stromrichterschaltung (42) ausgebildet ist, um eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung und/oder eine Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung zwischen der an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden zweiten Gleichspannung (V_32ab) und einer an dem dreiphasigen Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden dreiphasigen Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) durchzuführen.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Schaltfrequenz (f) bei der Gleichspannungsanpassung niedriger ist als die Schaltfrequenz (f) bei der Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung oder bei der Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Stromrichterschaltung (42) ferner ein Schaltnetzwerk (46) aufweist, welches ausgebildet ist, um die drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c) über ihren Mittelknoten (45a, 45b, 45c) und die jeweils zugeordnete Drossel (44a, 44b, 44c) in schaltbarer Weise mit dem Wechselspannungsanschluss (24) und dem ersten Spannungsanschluss (18) zu verbinden; wobei die Stromrichterschaltung (42) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen ersten Schaltzustand zu versetzen, in dem die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt sind, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) an dem zweiten Spannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, und wobei die Stromrichterschaltung (42) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen zweiten Schaltzustand zu versetzen, in dem eine erste Drossel der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit einem der Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) an dem zweiten Spannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen und in dem eine weitere Drossel der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit dem ersten Spannungsanschluss (18) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem ersten Spannungsanschluss (18) eine Gleichspannung (V_18ab) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Spannungsanschluss (18) anliegenden Gleichspannung (V_18ab) an dem zweiten Spannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 11, wobei die Stromrichterschaltung (42) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen nullten Schaltzustand zu versetzen, in dem mindestens eine der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit dem ersten Spannungsanschluss (18) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem ersten Spannungsanschluss (18) eine Gleichspannung (V_18ab) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Spannungsanschluss (18) anliegenden Gleichspannung (V_18ab) an dem zweiten Spannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, wobei der Wechselspannungsanschluss (24) in den nullten Schaltzustand von der Stromrichterschaltung (42) abgekoppelt ist.
Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Stromrichterschaltung (42) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen dritten Schaltzustand zu versetzen, indem eine der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit einem der drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine einphasige Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden einphasigen Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) an dem zweiten Spannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, wobei der erste Spannungsanschluss (18) in den dritten Schaltzustand von der Stromrichterschaltung (42) abgekoppelt ist.
Schaltung (10, 40) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Stromrichterschaltung (42) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen vierten Schaltzustand zu versetzen, in dem mindestens zwei der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit mindestens zwei unterschiedlichen Phasenanschlüssen (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt sind, um basierend auf einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) mit zwei um 180° versetzte Phasen bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) mit zwei um 180° versetzte Phasen an dem zweiten Spannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, wobei der erste Spannungsanschluss (18) in dem vierten Schaltzustand von der Stromrichterschaltung (42) abgekoppelt ist.
Schaltung (10, 40) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei an den zweiten Spannungsanschluss (32) eine E-Maschine (73) ankoppelbar ist, die über einen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler (71) mit dem zweiten Spannungsanschluss (32) verbunden ist.
Verfahren zur Leistungsanpassung einer Schaltung (10, 40), die einen ersten Spannungsanschluss (18), einen zweiten Spannungsanschluss (32) und eine Stromrichterschaltung (42) mit mindestens einer Drossel (44a, 44b, 44c) und mit mindestens einem schaltbaren Element (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) aufweist, wobei die Stromrichterschaltung (42) zwischen dem ersten Spannungsanschluss (18) und dem zweiten Spannungsanschluss (32) zwischengeschaltet ist und ausgebildet ist, um eine Spannungsanpassung zwischen einer an dem ersten Spannungsanschluss (18) anliegenden ersten Gleichspannung (V_18ab) und einer an dem zweiten Spannungsanschluss (32) anliegenden zweiten Gleichspannung (V_32ab) vorzunehmen, wobei das Verfahren den folgenden Schritte aufweist: Variieren der Schaltfrequenz (f) in Abhängigkeit einer zu übertragenden, elektrischen Leistung, wobei die variable Schaltfrequenz (f) umso niedriger ist, je höher eine zu übertragende, elektrische Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss (32) ist.
Verfahren zur Leistungsanpassung einer Schaltung (10, 40) gemäß Anspruch 16, wobei die Stromrichterschaltung (42) eine Mehrzahl von schaltbaren Elementen (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) umfasst; und wobei der Schritt des Variierens der Schaltfrequenz (f) so durchgeführt wird, dass zumindest zwei der schaltbaren Elemente (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) mit einer Phasenverschiebung mit der variablen Schaltfrequenz (f) angesteuert werden.