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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen mindestens eines Zwischenkreis-Kondensators,
der in einem zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Stromnetz
zwischengeschalteten Zwischenkreis angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Ein
Verfahren zum Aufladen des Zwischenkreis-Kondensators ist zum Beispiel
für den
Zwischenkreis-Kondensator eines als Antriebssystem eines Elektro-
oder Hybridfahrzeugs ausgebildeten elektromechanischen Wandler-Systems
oder für
den Zwischenkreis-Kondensator eines elektromechanischen Wandler-Systems
einer Windkraftanlage (WKA) bekannt. Jedes dieser elektromechanischen Wandler-Systeme
weist eine als Speicheranordnung miteinander verschalteter elektrischer
Speicher ausgebildete Spannungsquelle, einen Stromkreis und ein
elektrisch zwischen den elektrischen Speichern und dem Stromkreis
zwischengeschalteten Zwischenkreis mit einem der Speicheranordnung
parallel geschalteten Zwischenkreis-Kondensator auf. Der Stromkreis
weist mindestens eine als Generator und/oder Antriebsmaschine ausgebildete
elektrische Maschine und einen Umrichter auf. Die elektrische Maschine
bildet den elektromechanischen Wandler des elektromechanischen Wandler-Systems
und ist über
den zwischengeschalteten Umrichter, insbesondere einen Wechselrichter,
mit dem Zwischenkreis elektrisch verbunden. Die elektrischen Speicher
sind bevorzugt als wiederaufladbare Batterien (Akkumulatoren) ausgebildet,
die mehrmals entladen und wieder aufgeladen werden können.
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Bei
Antriebssystemen von Elektro- oder Hybridfahrzeugen und bei Windkraftanlagen
kommen Speicheranordnungen zum Einsatz, an die sehr hohe Anforde rungen
bezüglich
der Zuverlässigkeit
der Speicher gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen
ist, dass ein Ausfall der Speicher zu einem Ausfall des Gesamtsystems
führen
kann. So führt
zum Beispiel bei einem Elektrofahrzeug ein Ausfall der die Antriebsmaschine
des Fahrzeugs speisenden Speicher zu einem sogenannten „Liegenbleiber”.
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Weiterhin
kann der Ausfall eines Speichers sogar zu einem sicherheitsrelevanten
Problem führen.
Bei Windkraftanlagen werden zum Beispiel wiederaufladbare Batterien
eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung
vor unzulässigen
Betriebszuständen
zu schützen.
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Um
die Speicheranordnung, zum Beispiel zum Austausch von einzelnen
Speichern, vom Stromkreis trennen zu können, sind typischerweise zwei
Leistungsschalter vorgesehen, die jeweils in einer von zwei Zuleitungen
zwischen der Speicheranordnung und dem Zwischenkreis angeordnet
sind. Diese Leistungsschalter sind bevorzugt als Schütze – die sogenannten
Hauptschütze – ausgebildet,
die zum Trennen der Speicheranordnung vom Stromkreis geöffnet (ausgeschaltet)
werden. Beim Wiedereinschalten der beiden Leistungsschalter würde kurzzeitig
ein enormer Strom in den ungeladenen oder nur teilgeladenen Zwischenkreis-Kondensator fließen, sodass
zunächst
ein in der ersten Zuleitung parallel zum ersten Leistungsschalter
verschaltetes sogenanntes Vorladeschütz mit – meist integriertem – Schutzwiderstand
und der in der zweiten Zuleitung angeordnete zweite Leistungsschalter
eingeschaltet werden. Hierdurch wird der Zwischenkreis-Kondensator
zunächst
mit einem begrenzten Strom aufgeladen. Sobald die Spannung über dem
Kondensator hinreichend groß ist,
wird der erste Leistungsschalter eingeschaltet. Nachteilig an dem
beschriebenen Verfahren sind die relativ hohen Kosten der Anordnung aus
Hauptschützen
und Vorladeschütz.
Zusätzlich muss
in Speicheranordnungen mit Li-Ionen Batterien aufgrund von Sicherheitsvorschriften
auch noch die Spannung über
dem Zwischenkreis-Kondensator überwacht
werden, was eine zusätzliche,
unabhängige
Schaltung erfordert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Zwischenkreis über
mindestens ein induktives Bauelement elektrisch an ein weiteres
Stromnetz gekoppelt ist, wel ches in dem induktiven Bauelement mindestens
einmal ein temporäres
Magnetfeld aufbaut, wobei durch eine beim anschließenden Abbau
dieses Magnetfeldes im induktiven Bauelement induzierte Spannung
der Zwischenkreis-Kondensator aufgeladen wird. Somit wird der Zwischenkreis-Kondensator
nicht durch die Spannungsquelle aufgeladen, sondern über das
weitere Stromnetz. Die Gleichspannungsquelle ist elektrisch trennbar
mit dem Zwischenkreis verbunden. Dazu weist jede Zuleitung zwischen
der Gleichspannungsquelle und dem Zwischenkreis bevorzugt einen
Leistungsschalter auf. Durch die Aufladung des Zwischenkreis-Kondensators über das
weitere Stromnetz entfällt
die Notwendigkeit eines Vorladeschützes. Der Zwischenkreis-Kondensator
ist elektrisch parallel zur Gleichspannungsquelle geschaltet. Die
Gleichspannungsquelle ist bevorzugt als Speicheranordnung mit mindestens
einem elektrischen Speicher ausgebildet. Die Gleichspannungsquelle
ist insbesondere eine Gleichspannungsquelle, die eine Spannung U von
120 Volt oder mehr als 120 Volt (U ≥ 120 V) erzeugt.
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Die
Gleichspannungsquelle, der Stromkreis und der Zwischenkreis mit
dem Zwischenkreis-Kondensator sind bevorzugt Teil eines elektromechanischen
Wandler-Systems. Der Stromkreis weist mindestens eine als Generator
und/oder Antriebsmaschine ausgebildete elektrische Maschine und
einen Umrichter auf. Die elektrische Maschine bildet den elektromechanischen
Wandler des elektromechanischen Wandler-Systems und ist über den
zwischengeschalteten Umrichter, insbesondere einen Wechselrichter,
mit dem Zwischenkreis elektrisch verbunden. Die elektrische Maschine
ist bevorzugt eine Wechselstrommaschine und der Stromkreis ist dabei ein
Wechselstromkreis. Der elektrische Speicher ist bevorzugt als wiederaufladbare
Batterie (Akkumulator) ausgebildet, der über mehrere Lade-Entlade-Zyklen
entladen und wieder aufgeladen werden kann. Der Zwischenkreis-Kondensator
hat die Aufgabe, kurzzeitige Stromspitzen des nachgeschalteten Wechselrichters
(Inverters) abzufangen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass das induktive Bauelement und mindestens
eine Diode in Serienschaltung in einem parallel zu dem Zwischenkreis-Kondensator
verschalteten Strompfad angeordnet sind. Mit Vorteil ist vorgesehen,
dass parallel zum Strompfad ein kapazitives Bauelement verschaltetet
ist.
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Das
induktive Bauelement ist insbesondere ein Transformator, der mit
seiner Primärwicklung
im weiteren Stromnetz und mit seiner Sekundärwicklung im Strompfad verschaltet
ist.
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Das
Aufladen des Zwischenkreis-Kondensators erfolgt bevorzugt mittels
eines das induktive Bauelement, die Diode und mindestens einen Schalter aufweisenden
Gleichstromstellers, auch DC-DC-Wandler oder „Chopper” genannt. Der Schalter ist
bevorzugt ein Bipolar-Transistor und/oder ein Feldeffekt-Transistor,
insbesondere ein MOSFET (MOSFET: metal Oxide semiconductor field-effect transistor),
ein IGBT (IGBT: insulated-gate bipolar transistor) und/oder ein
Thyristor. Bevorzugt ist der Gleichstromsteller als Sperrwandler
ausgebildet. Bei einem Gleichstromsteller mit einem als Transformator
ausgebildeten induktiven Bauelement ist der Schalter auf der Seite
der Primärwicklung,
also im weiteren Stromnetz, verschaltet. Bevorzugt weisen die Primärwicklung
und die Sekundärwicklung
unterschiedliche Windungszahlen auf.
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Das
Aufladen mit dem Sperrwandler erfolgt wie folgt: Wird der Schalter
geschlossen, so fließt
ein Strom durch den Schalter und die Primärwicklung. Bei Öffnen des
Schalters wird die in der Induktivität gespeicherte Energie auf
die Sekundärseite übertragen
und der Zwischenkreis-Kondensator über die Diode aufgeladen. Die
Spannung über
der Sekundärwicklung
des Transformators ist dabei äquivalent
zur Spannung über
dem Zwischenkreis-Kondensator plus einer Dioden-Spannung der Diode.
Eine der Spannung über
der Sekundärwicklung
proportionale Spannung liegt nun auch über der Primärwicklung des
Transformators an. Diese kann direkt gemessen werden. Die Spannung über der
Primärwicklung
des Transformators kurz nach Öffnen
(Abschalten) des Schalters ist somit im Wesentlichen proportional
(gegebenenfalls übersetzt
durch das Windungsverhältnis
des Transformators) zur Spannung über dem Zwischenkreiskondensator.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannung am Zwischenkreis-Kondensator
durch Messung der Spannung über
der Primärwicklung
des Transformators bestimmt wird. Das Messergebnis wird – potentialgetrennt
vom Potential der Gleichspannungsquelle und des Stromnetzes – auf der
Seite des weiteren Stromnetzes einer Recheneinrichtung, insbesondere einem
Mikrocontroller, zur Verfügung
zu stellen.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass das Aufladen des Zwischenkreis-Kondensators ein
stufenweises Aufladen ist, bei dem im induktiven Bauelement nacheinander
mehrmals je ein temporäres
Magnetfeld aufbaut wird, wobei jeweils durch die beim anschließenden Abbau
dieses Magnetfeldes im induktiven Bauelement induzierte Spannung
der Zwischenkreis-Kondensator über
die Diode weiter aufgeladen wird. Die Aufladung erfolgt somit in
Ladungsstufen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein
maximal möglicher
Leistungsübertrag
zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Stromnetz über den
Zwischenkreis mindestens doppelt so hoch ist, insbesondere mindestens
zehn mal so hoch ist, wie ein maximal möglicher Leistungsübertrag
zwischen der Gleichspannungsquelle und dem weiteren Stromnetz über das
induktive Bauelement. Da keine großen Leistungen mittels des
induktiven Elements übertragen
werden – es
dient lediglich zur Aufladung des Zwischenkreis-Kondensators und/oder
zur Spannungsmessung – kann
dieses sehr klein und kosteneffizient ausgeführt sein. Gleiches gilt auch
für die
Diode, den Schalter und die Messeinrichtung zur Messung der Spannung über der
Primärwicklung.
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Schließlich ist
gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass
das weitere Stromnetz ein Gleichstromnetz ist. Vorzugsweise weist
das weitere Stromnetz eine zweite Betriebsspannung von weniger als
120 Volt, insbesondere von 12 Volt auf.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Aufladen mindestens
eines Zwischenkreis-Kondensators, der in einem zwischen einer Gleichspannungsquelle
und einem Stromnetz zwischengeschalteten Zwischenkreis angeordnet
ist. Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Gleichstromsteller
aufweist, der einen parallel zu dem Zwischenkreis-Kondensator verschalteten
Strompfad aufweist, in dem mindestens ein induktive Bauelement und
mindestens eine Diode seriell verschaltet sind und der weiterhin
mindestens einen Schalter aufweist, mit dem das induktive Bauelement
zur Spannungsbeaufschlagung elektrisch mit einem weiteren Stromnetz
verbindbar ist. Der Gleichstromsteller ist insbesondere ein Sperrwandler.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein parallel zum Strompfad
verschaltetes kapazitives Bauelement aufweist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das
induktive Bauelement ein Transformator ist, der mit seiner Primärwicklung
im weiteren Stromnetz und mit seiner Sekundärwicklung im Strompfad verschaltet
ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung
eine Messeinrichtung auf, die zur Messung der Spannung an der Primärwicklung
mit dieser verschaltet ist. Insbesondere weist die Vorrichtung eine
im weiteren Stromnetz angeordnete Recheneinrichtung auf, die aus
der gemessenen Spannung an der Primärwicklung eine Spannung am
Zwischenkreiskondensator bestimmt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Gleichspannungsquelle, einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreis-Kondensator
und eine Vorrichtung zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators,
die elektrisch zwischen die Gleichspannungsquelle und den Zwischenkreis
geschaltet ist und
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2A–2D Diagramme,
bei denen die zeitabhängigen
Strom- und Spannungsverläufe
an dem induktiven Bauelement und dem Zwischenkreiskondensator der 1 beim
Aufladen des Zwischenkreiskondensators über der Zeit aufgetragen sind.
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Die 1 zeigt
eine Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannungsquelle 1,
einem Zwischenkreis 2 und einer zwischen die Gleichspannungsquelle 1 und
den Zwischenkreis 2 zwischengeschalteten Vorrichtung 3 zum
Aufladen eines Zwischenkreis-Kondensators 4 des Zwischenkreises 2.
Der Zwischenkreis 2 ist seinerseits zwischen die Gleichspannungsquelle 1 und
einen nicht dargestellten Stromkreis elektrisch zwischengeschaltet.
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Die
Gleichspannungsquelle 1 ist als Speicheranordnung mit mindestens
einem elektrischen Speicher ausgebildet. Der Speicher ist bevorzugt eine
wiederauflad bare Batterie, insbesondere eine Li-Ionen Batterie,
beziehungsweise die Speicher sind bevorzugt wiederaufladbare Batterien,
insbesondere eine Li-Ionen Batterien. Die Gleichspannungsquelle 1 ist über zwei
Zuleitungen 5, 6 elektrisch an die Vorrichtung
angeschlossen. In jeder der Zuleitungen 5, 6 ist
ein als Hauptschütz
ausgebildeter Leistungsschalter 7, 8 angeordnet.
Die Vorrichtung 3 zum Aufladen des Zwischenkreis-Kondensators 4 weist
einen Strompfad 9 auf, in dem in serieller Anordnung ein
induktives Bauelement 10 und eine Diode 11 angeordnet
sind. Parallel zu diesem Strompfad 9 geschaltet weist die
Vorrichtung 3 einen weiteren Strompfad 12 auf,
in dem ein kapazitives Bauelement 13, insbesondere ein
weiterer Kondensator, angeordnet ist. Beide Strompfade 9, 12 der
Vorrichtung 3 sind elektrisch parallel zu der Gleichspannungsquelle 1 und
dem Zwischenkreis-Kondensator 4 angeordnet.
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Das
induktive Bauelement 10 ist als Transformator 14 mit
Primärwicklung 15 und
Sekundärwicklung 16 ausgebildet
und ist mit der Sekundärwicklung 16 im
Strompfad 9 verschaltet. Mit seiner Primärwicklung 15 ist
das als Transformator 14 ausgebildete induktive Bauelement 10 in
einem weiteren Stromnetz 17 verschaltet. Die Primärwicklung 15 hat vorzugsweise
nur eine Windung und die Sekundärwicklung 16 hat
vorzugsweise mehrere Windungen (n Windungen mit n > 1).
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Die
Vorrichtung 3 zum Aufladen des Zwischenkreis-Kondensators 4 weist
weiterhin einen in dem weiteren Stromnetz 17 angeordneten
Schalter 18 auf. Dieser Schalter 18 und die Primärwicklung 15 sind
elektrisch seriell im weiteren Stromnetz 17 verschaltet.
Das induktive Bauelement 10, die Diode 11 und
der Schalter 18 bilden einen Gleichstromsteller 19 der
Vorrichtung 3.
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Die
Vorrichtung 3 zum Aufladen des Zwischenkreis-Kondensators 4 weist
des Weiteren eine Messeinrichtung 20 auf, die zur Messung
der an der Primärwicklung 15 abfallenden
Spannung parallel zu dieser verschaltet ist. Der Messeinrichtung 20 ist
im weiteren Stromnetz 17 eine nicht dargestellte Recheneinrichtung
nachgeschaltet, die aus der gemessenen Spannung an der Primärwicklung
eine Spannung am Zwischenkreiskondensator bestimmt.
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Das
Aufladen des Zwischenkreis-Kondensators 4 erfolgt mittels
der Vorrichtung 3 mit dem Gleichstromsteller 19 wie
folgt: Wird der Schalter 18 geschlossen, so fließt ein Strom
durch den Schalter 18 und die Primärwicklung 15. Bei Öffnen des
Schalters 18 wird die in der Induktivität gespeicherte Energie auf
die Sekundärseite – also die
Sekundärwicklung 16 – übertragen
und der Zwischenkreis-Kondensator 4 über die
in dieser Stromrichtung nicht sperrende Diode 11 aufgeladen.
Die Spannung über
der Sekundärwicklung 16 des
Transformators 14 ist dabei äquivalent zur Spannung über dem
Zwischenkreis-Kondensator 4 plus einer Dioden-Spannung der
Diode 11. Eine der Spannung über der Sekundärwicklung 16 proportionale
Spannung liegt nun auch über
der Primärwicklung 15 des
Transformators 14 an. Diese kann mittels der Messeinrichtung 20 direkt gemessen
werden. Die Spannung über
der Primärwicklung 15 des
Transformators 14 kurz nach Öffnen (Abschalten) des Schalters 18 ist
somit im wesentlichen proportional (gegebenenfalls übersetzt
durch das Windungsverhältnis
von Primär- zu Sekundärwicklung
des Transformators 14) zur Spannung über dem Zwischenkreiskondensator 4.
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Die 2A bis 2D zeigen
vier Diagramme, bei denen die zeitabhängigen Stromverläufe und Spannungsverläufe an dem
induktiven Bauelement 10 und an dem Zwischenkreiskondensator 4 bei
dessen Aufladen über
der Zeit t aufgetragen sind.
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Zum
Zeitpunkt T1 wird der Schalter 18 des Gleichstromstellers 19 geschlossen
und es fließt
ein Strom durch den Schalter 18 und die Primärwicklung 15 (2A).
Wird der Schalter 18 anschließend zum Zeitpunkt T2 geöffnet, so
wird die induktiv gespeicherte Energie auf die Sekundärseite des
Transformators 14 übertragen
und das kapazitive Bauelement 13 und der Zwischenkreis-Kondensator 4 über die
Diode 11 aufgeladen. Es ergibt sich der in der 2B gezeigte
Spannungsverlauf über
der Sekundärwicklung 16 und
der in der 2C gezeigte Stromverlauf im
Zwischenkreis 2. Die Spannung über der Primärwicklung 15 kurz
nach dem Öffnen
(Abschalten) des Schalters ist dabei proportional zur Spannung über dem
Zwischenkreis-Kondensator 4 (2D) und
kann im weiteren Stromnetz 17 von der Messeinrichtung 20 gemessen
werden.