AT510646B1 - Vorrichtung zur ladung von akkumulatoren oder superkapazitäten bzw. zur kopplung von gleichspannungsnetzen - Google Patents

Abstract

Die hier dargestellten Vorrichtungen eignen sich besonders zur Ladung von Akkumulatoren oder Superkapazitäten. Ebenso können Gleichspannungsnetze gekoppelt werden. Die Vorrichtung besteht aus einer ersten (E1) und einer zweiten Eingangsklemme (E2), einer ersten (A1) und einer zweiten Ausgangsklemme (A2), einem aktiven (S1) und einem passiven Schalter (D2) samt Ansteuerung für den aktiven Schalter (S1), einer ersten Spule (L1), einer zweiten Spule (L2) und einem Kondensator (C). Dadurch, dass die Ausgangsspannung größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein kann, eignet sich die Schaltung sehr gut zum Anschluss an einen Solargenerator, dessen Ausgangsspannung ja entsprechend der Einstrahlung schwankt. Während die Batteriespannung im Wesentlichen konstant ist, verändert sich die Spannung bei einem Superkapazitätsspeicher entsprechend dem Ladezustand..

Description

österreichisches Patentamt AT510 646B1 2012-11-15

Beschreibung

VORRICHTUNG ZUR LADUNG VON AKKUMULATOREN ODER SUPERKAPAZITÄTEN BZW. ZUR KOPPLUNG VON GLEICHSPANNUNGSNETZEN

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladung von Akkumulatoren oder Superkapazitäten bzw. zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, bestehend aus einer ersten (E^ und einer zweiten Eingangsklemme (E2), einer ersten (A^ und einer zweiten Ausgangsklemme (A2), einem aktiven (Si) und einem passiven Schalter (D2) samt Ansteuerung für den aktiven Schalter (S-i), einer ersten Spule (L^, einer zweiten Spule (L2) und einem Kondensator (C).

[0002] Der Stand der Technik wird an Hand der Patentliteratur behandelt. DE 4304384 A1 (BOSCH) zeigt einen Gleichspannungswandler mit drei gekoppelten Spulen. Dadurch wird ein Wandler mit nur einem magnetischen Bauelement ermöglicht. Das umfangreiche Patent US 7161331 B2 (WAI) zeigt einen Hochsetzsteller mit gekoppelten Spulen und einem passiven Snubber zur Reduktion der Schaltverluste. Durch die gekoppelten Spulen wird ein sehr hohes Spannungsübersetzungsverhältnis ermöglicht. US 5488269 (GENERAL ELECTRIC) zeigt einen multiresonanten hochsetzenden PFC zur Ansteuerung von Leuchtmitteln. JP 2008099503 zeigt ein Koppelglied speziell für die Anpassung von Doppelschichtkapazitäten, wobei diese auf einem niedrigeren Spannungsniveau liegen als die andere Seite des Konverters. Durch die Bidirektionalität ist Laden und Entladen möglich. Speziell geeignet für die gegenständliche Aufgabe ist eigentlich keiner der hier angeführten Konverter. Die gegenständliche Erfindung löst diese Aufgabe auf einfachere Weise.

[0003] Die hier dargestellten Vorrichtungen eignen sich besonders zur Ladung von Akkumulatoren oder Superkapazitäten. Ebenso können Gleichspannungsnetze gekoppelt werden.

[0004] Die Figuren stellen die Konverterstrukturen zur Energieumformung dar. Fig. 1 ist ein unidirektionaler Konverter, Fig. 2 ein bidirektionaler Halbbrückenkonverter und Fig. 3 ein bidirektionaler Konverter mit gleichem Eingangs- und Ausgangsspannungsbezug.

[0005] Zum besseren Verständnis wird der Zusammenhang zwischen den beiden Spannungsniveaus an Hand von Fig. 1 bei idealen Bauelementen besprochen. Wenn der aktive Schalter Si leitet, liegt an der ersten Induktivität ^ und an der zweiten Spule L2 Uc+Ui-U2. Der Strom steigt in beiden Spulen. Wenn der aktive Schalter Si sperrt und die Diode D2 leitet, so liegt an der ersten Spule LrUc und an der zweiten Spule L2-U2. Der Strom fällt in den Spulen. Im stationären Zustand müssen die positiven und negativen Strom-Zeit-Flächen an den Spulen gleich groß sein (die Spannung an der Spule ist im Mittel null). Daraus lässt sich nun der Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, wenn man als Tastverhältnis das Verhältnis der Einschaltzeit des ersten Schalters bezogen auf die Taktperiode, mit der der aktive Schalter S-] getaktet wird, bezeichnet, bei idealen Bauelementen zu ut 1 -d angeben. Die Spannung U2 kann also größer oder kleiner als die Spannung U! sein, je nach Tastverhältnis.

[0006] Der Zusammenhang der Mittelwerte der Ströme durch die beiden Spulen lässt sich durch das Strom-Zeit-Gleichgewicht an der Kapazität (der Strom muss im stationären Fall null sein) zu

berechnen.

[0007] Bei der Anwendung als Batterieladegerät (eigentlich Akkumulatorladegerät) für einen 1 /5 österreichisches Patentamt AT510 646 B1 2012-11-15

Solargenerator oder zur Ladung eines Superkapazitätsspeichers wird der Solargenerator zwischen die Eingangsklemmen geschaltet. Dadurch, dass die Ausgangsspannung größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein kann, eignet sich die Schaltung sehr gut zum Anschluss an einen Solargenerator, dessen Ausgangsspannung ja entsprechend der Einstrahlung schwankt. Während die Batteriespannung im Wesentlichen konstant ist, verändert sich die Spannung bei einem Superkapazitätsspeicher entsprechend dem Ladezustand. Prinzipiell ist nur ein Einquadrantensteller nach Fig. 1 erforderlich. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann aber gemäß Fig. 2 eine synchrone Gleichrichtung verwendet werden. Dabei werden die beiden aktiven Schalter im push-pull Betrieb abwechselnd eingeschaltet. Um einen Rückfluss in die Eingangsquelle zu vermeiden, muss der Schalter S2 noch vor dem Stromnulldurchgang abgeschaltet werden. Das hier Gesagte gilt natürlich nicht nur für eine Eingangsspannung, die von einem Solargenerator geliefert wird, sondern auch von Brennstoffzellen oder einer sonst wie erzeugten Gleichspannung.

[0008] Bei der Anwendung zum Koppeln zweier Netze kann mit dem Konverter nach Fig. 1 nur ein Energiefluss von der Eingangs- zur Ausgangsseite erfolgen. Durch die Schaltung gemäß Fig. 2, die auch den Vorteil hat, dass die beiden aktiven Schalter mit ihren parallel liegenden Dioden eine Halbbrücke bilden, die als fertiges Modul kaufbar ist, ist ein Energiefluß in beiden Richtungen möglich.

[0009] Falls die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung das gleiche Bezugspotential haben sollen, muss der Schalter Si und seine parallel liegende Diode Ü! verlegt werden (Fig. 3). An Stelle ihrer ursprünglichen Lage erfolgt ein Kurzschluss. Dadurch wird die zweite Eingangsklemme E2 mit der zweiten Ausgangsklemme A2 verbunden. Schalter Si und seine parallel liegende Diode Di werden nun zwischen der ersten Eingangsklemme und der Zusammenschaltung von erster Spule U und Kondensator C geschaltet. Nachteilig ist dabei, dass nun kein Halbbrückenmodul (und ein entsprechender Halbbrückentreiber) zur einfachen Ansteuerung verwendet werden kann. Es sei weiters angemerkt, dass der Schalter S2 bei unidirektiona-lem Betrieb weggelassen werden kann (ebenso wie die erste Diode D^, jedoch sollte man berücksichtigen, dass bei kleinen Spannungen die Flussspannung einer Diode immer deutlich höher ist als der Spannungsabfall an einem MOSFET und daher die Überbrückung der Diode die Verluste des Konverters verringert. Dies führt zu geringerer Wärmeentwicklung und ermöglicht einen kompakteren Aufbau.

[0010] Es sei hier angemerkt, dass zur Vermeidung der Zuleitungsinduktivitäten und zur Vermeidung eines pulsförmigen Stroms durch die Eingangsquelle ein Kondensator zwischen den Eingangsklemmen geschaltet werden kann. Die Induktivität der Leitungen, die zur Anschaltung der Last dienen, stellt kein Problem dar, da sie schaltungstechnisch in Serie zur zweiten Induktivität liegt. Zur Glättung des durch die Last fließenden Stroms ist es natürlich möglich, zwischen den Ausgangsklemmen einen weiteren Kondensator zu schalten. Es sei noch angemerkt, dass diese Kondensatoren auch gepolt sein können.

[0011] Bei der Verwendung von MOSFETs als aktive Schalter können die dem Schalter parallel liegenden Bodydioden nicht die erforderliche Qualität haben. In diesem Fall kann die Wirkung der Bodydiode vermieden werden, indem auf bekannte Weise in Serie zum Schalter eine Diode, in diesem Fall eine Schottkydiode mit kleiner Sperrspannung, in Serie -üblicherweise zum Drain - geschaltet wird.

[0012] Bei der Verwendung von Solargeneratoren oder Brennstoffzellen als Eingangsspannung ist oft die Ermittlung des optimalen Leistungspunktes erforderlich. Dazu gibt es eine große Anzahl von „Maximum Power Point" Algorithmen, die der Steuer bzw. Regelung der Vorrichtung überlagert werden können. Ebenso gibt es zahlreiche spezielle Vorgaben, wie z.B. Batterien schonend geladen werden können. Auch diese können in die Steuerung und Regelung der Vorrichtung eingebunden werden.

[0013] Das Problem, Akkumulatoren oder Superkapazitäten zu laden bzw. Gleichspannungen zu koppeln, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass zwischen der ersten (E^ und der zweiten Eingangsklemme (E2) die Serienschaltung des aktiven Schalters (Si) mit der Spule 2/5

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT510 646B1 2012-11-15 (L) und parallel zur Spule (L) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D2) geschaltet ist, wobei an die Kathode der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist und an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) die erste (A^ und an die zweite Ausgangsklemme (A2) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist, der aktive Schalter (S^ durch eine zweite antiparallele Diode (D^ und die Diode (D2) durch einen zweiten antiparallelen aktiven Schalter (S2) überbrückt werden kann, die Verschaltung der aktiven Schalter (Si, S2) untereinander und mit den Dioden (D^ D2) mit Hilfe eines Halbbrückenmoduls realisiert, und zwischen der ersten (E^ und der zweiten Eingangsklemme (E2) ein zweiter Kondensator und zwischen der ersten (A^ und der zweiten Ausgangsklemme (A2) ein dritter Kondensator geschaltet werden kann, wobei zwischen den Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen Batterien (Akkumulatoren), Brennstoffzellen, Superkapazitäten, Solarzellen oder ähnliche als Spannung wirkende Quellen geschaltet sind und die Regelung des Spulenstromes durch einen Zweipunktregler mit Hysterese, durch Sliding Mode Control, Zustandsregler oder sonst ein Regelverfahren erfolgt, die Vorgabe des Sollwerts entsprechend eines Algorithmuses zur Bestimmung des Punktes der maximalen Leistung und/oder zur optimalen Ladung von Batterien oder sonst wie vorgegeben wird; weiters kann es notwendig sein, dass in Serie zu den aktiven Schaltern (Si, S2) Dioden geschaltet sind und erst diese Serienschaltung durch die antiparallelen Dioden (D^ D2) überbrückt wird. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Ladung von Akkumulatoren oder Superkapazitäten bzw. zur Kopplung von Gleichspannungsnetzen, bestehend aus einer ersten (E^ und einer zweiten Eingangsklemme (E2), einer ersten (At) und einer zweiten Ausgangsklemme (A2), einem aktiven (Si) und einem passiven Schalter (D2) samt Ansteuerung für den aktiven Schalter (Si), einer ersten Spule (Li), einer zweiten Spule (L2) und einem Kondensator (C) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (Ei) und der zweiten Eingangsklemme (E2) die Serienschaltung des aktiven Schalters (Si) mit der Spule (L) und parallel zur Spule (L) die Serienschaltung des Kondensators (C) und der Diode (D2) geschaltet ist, wobei an die Kathode der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) geschaltet ist und an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) die erste (Ai) und an die zweite Ausgangsklemme (A2) die Anode der zweiten Diode (D2) geschaltet ist.
2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schalter (Si) durch eine zweite antiparallele Diode (Di) und die Diode (D2) durch einen zweiten antiparallelen aktiven Schalter (S2) überbrückt ist.
3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der aktiven Schalter (Si, S2) untereinander und mit den Dioden (D1; D2) mit Hilfe eines Halbbrückenmoduls realisiert ist.
4. 4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (E^ und der zweiten Eingangsklemme (E2) ein zweiter Kondensator und zwischen der ersten (A^ und der zweiten Ausgangsklemme (A2) ein dritter Kondensator geschaltet ist.
5. 5. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen Batterien (Akkumulatoren), Brennstoffzellen, Superkapazitäten, Solarzellen oder ähnliche als Spannung wirkende Quellen geschaltet sind.
6. 6. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Spulenstromes durch einen Zweipunktregler mit Hysterese, durch Sliding Mode Control, Zustandsregler oder sonst ein Regelverfahren erfolgt, die Vorgabe des Sollwerts entsprechend eines Algorithmuses zur Bestimmung des Punktes der maximalen Leistung und/oder zur optimalen Ladung von Batterien oder sonst wie vorgegeben wird. 3/5 österreichisches Patentamt AT510 646 B1 2012-11-15
7. 7. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu den aktiven Schaltern (Si, S2) Dioden geschaltet sind und erst diese Serienschaltung durch die antiparallelen Dioden (Di, D2) überbrückt wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5