DE102011083645A1 - Charging device for rechargeable battery used in electric vehicle, has three-phase rectifier connected in downstream of three-phase transformer to convert third three-phase alternating current into direct current for charging battery - Google Patents

Charging device for rechargeable battery used in electric vehicle, has three-phase rectifier connected in downstream of three-phase transformer to convert third three-phase alternating current into direct current for charging battery Download PDF

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Abstract

The charging device has a matrix converter (6) which converts first three-phase alternating current into second three-phase alternating current. A three-phase transformer (42) is connected in downstream of matrix converter to generate the third three-phase alternating current from second three-phase alternating current. A three-phase rectifier (23) is connected in downstream of three-phase transformer to convert third three-phase alternating current into direct current for charging the battery.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Laden von wiederaufladbaren Batterien. The invention relates to an arrangement for charging rechargeable batteries.

In vielen Applikationen, wie insbesondere in der Automobiltechnik, ist der Einsatz wiederaufladbarer Batterien sinnvoll oder gar notwendig. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Batterien und die zugehörige Anordnung zum Laden in stationären oder mobilen Applikationen zum Einsatz kommen. In vielen Fällen kommen die Batterien in Verbindung mit so genannten Smart-Grids (intelligenten Stromnetzen) zum Einsatz. Diese umfassen allgemein die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Einheiten wie etwa Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und Energieverteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung, wodurch eine Optimierung und Überwachung der miteinander verbundenen Einheiten ermöglicht wird. In many applications, such as in particular in the automotive industry, the use of rechargeable batteries makes sense or even necessary. It does not matter whether the batteries and the associated arrangement for charging in stationary or mobile applications are used. In many cases, the batteries are used in conjunction with so-called smart grids (smart grids). These generally include communicatively networking and controlling units such as power generators, storage, electrical loads, and network resources in power transmission and power distribution networks of the electricity supply, thereby enabling optimization and monitoring of the interconnected units.

Eine bekannte Lösung sieht die Verwendung einer H-Brücke vor, die einen Transformator mit hochfrequenter Rechteckspannung speist. Aufgrund der hohen Betriebsfrequenz kann der Transformator eine kompakte Bauform aufweisen. Jedoch ergeben sich durch die verwendete, hochfrequente Rechteckspannung erhebliche Probleme bei der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Die elektromagnetische Verträglichkeit kennzeichnet üblicherweise den erwünschten Zustand, dass sich technische Geräte einander nicht gegenseitig mittels ungewollter elektrischer oder elektromagnetischer Effekte störend beeinflussen. One known solution involves the use of an H-bridge which feeds a transformer with high-frequency square-wave voltage. Due to the high operating frequency of the transformer may have a compact design. However, the high-frequency square-wave voltage used causes considerable problems with electromagnetic compatibility (EMC). The electromagnetic compatibility usually characterizes the desired state that technical devices do not interfere with each other by means of unwanted electrical or electromagnetic effects disturbing each other.

Eine weitere bekannte Lösung sieht die Verwendung eines sinusförmig aber niederfrequent betriebenen Transformators vor. Die Signale weisen somit keine steilen Flanken mehr auf und die EMV ist deutlich verbessert. Aufgrund der sehr niedrigen Frequenzen weist jedoch der Transformator eine sehr große Bauform auf und ist dadurch sehr teuer. Another known solution provides for the use of a sinusoidal but low-frequency operated transformer. The signals therefore no longer have steep edges and the EMC is significantly improved. Due to the very low frequencies, however, the transformer has a very large design and is therefore very expensive.

In der Patentanmeldung DE 10 2010 002 962 A1 wird ein Batterieladegerät mit Leistungsfaktor Eins und isolierter einphasiger Schaltungsmatrix beschrieben. Die Patentanmeldung WO 2006/064279 A1 beschreibt eine Eingangsstufe für einen mehrstufigen Energiewandler. In the patent application DE 10 2010 002 962 A1 describes a battery charger with power factor one and isolated single-phase circuit matrix. The patent application WO 2006/064279 A1 describes an input stage for a multistage energy converter.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Laden von Batterien bereit zustellen, welche gegenüber heute gängigen Lösungen verbessert ist und die Verwendung eines möglichst kleinen Transformators bei möglichst geringen EMV-Problemen ermöglicht. The object of the invention is to provide an arrangement for charging batteries ready, which is improved over today's common solutions and allows the use of the smallest possible transformer with the lowest possible EMC problems.

Diese Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. This object is achieved by a charging device according to claim 1. Embodiments and developments of the inventive concept are the subject of dependent claims.

Eine hierin beschriebene Ladevorrichtung für wiederaufladbare Batterien weist einen Matrix-Umrichter auf, der aus einer ihm zugeführten Dreiphasenwechselspannung eine demgegenüber in Amplitude und Frequenz veränderte zweite Dreiphasenwechselspannung generiert. Des Weiteren weist die Ladevorrichtung einen dem Matrix-Umrichter nachgeschalteten Drehstromtransformator auf, der einen von dem zweiten Dreiphasenwechselstrom galvanisch getrennten dritten Dreiphasenwechselstrom bereitstellt. Dem Drehstromtransformator ist ein Dreiphasengleichrichter nachgeschaltet, der den dritten Dreiphasenwechselstrom in einen einzelnen Gleichstrom zur Ladung der Batterie umwandelt. A charging device for rechargeable batteries described herein has a matrix converter which generates from a three-phase alternating voltage fed thereto a second three-phase alternating voltage, which in contrast is changed in amplitude and frequency. Furthermore, the charging device has a three-phase transformer connected downstream of the matrix converter, which provides a third three-phase alternating current which is galvanically isolated from the second three-phase alternating current. The three-phase transformer is followed by a three-phase rectifier, which converts the third three-phase alternating current into a single direct current for charging the battery.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt: The invention will be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, wherein the same or similar elements are provided with the same reference numerals. It shows:

1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ladevorrichtung zum Laden von wiederaufladbaren Batterien nach dem Stand der Technik, 1 a schematic representation of the structure of a charging device for charging rechargeable batteries according to the prior art,

2 den Verlauf von Strom und Spannung in einem Transformator beim Einsatz einer Ladevorrichtung nach dem Stand der Technik, 2 the course of current and voltage in a transformer when using a charging device according to the prior art,

3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung zum Laden von wiederaufladbaren Batterien, 3 a schematic representation of a charging device according to the invention for charging rechargeable batteries,

4 eine detailliertere Darstellung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung zum Laden von wiederaufladbaren Batterien, 4 a more detailed representation of the components of a charging device according to the invention for charging rechargeable batteries,

5 den Verlauf des Ausgangsstroms eines Matrix-Umrichters in einer erfindungsgemäßen Anordnung, 5 the course of the output current of a matrix converter in an inventive arrangement,

6 eine beispielhafte Ausführungsform des Aufbaus eines bidirektionalen Schalters in einem Matrix-Umrichter, 6 an exemplary embodiment of the construction of a bidirectional switch in a matrix converter,

7 eine beispielhafte Ausführungsform des Aufbaus eines bidirektionalen Schalters in einem Matrix-Umrichter, 7 an exemplary embodiment of the construction of a bidirectional switch in a matrix converter,

8 eine beispielhafte Ausführungsform des Aufbaus eines bidirektionalen Schalters in einem Matrix-Umrichter und 8th an exemplary embodiment of the structure of a bidirectional switch in a matrix converter and

9 eine beispielhafte Ausführungsform des Aufbaus eines bidirektionalen Schalters in einem Matrix-Umrichter. 9 an exemplary embodiment of the construction of a bidirectional switch in a matrix converter.

Zum Laden von wiederaufladbaren Batterien, beispielsweise für den Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, sind verschiedene mögliche Vorrichtungen bekannt. Allen Ansätzen liegen dabei die Versorgung der Batteriezellen mit Gleichstrom und eine galvanische Trennung vom Stromnetz zu Grunde. Als galvanische Trennung wird im Allgemeinen die elektrische Trennung zweier Stromkreise bezeichnet. Ladungsträgern ist es hierbei nicht möglich, von einem Stromkreis in den anderen zu fließen, da keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen beiden Stromkreisen besteht. Zur galvanischen Trennung insbesondere von hohe Ströme und/oder Spannungen führenden Stromkreisen kommt dabei in der Regel ein Transformator zum Einsatz, wie er bei der Ladevorrichtung in 1 als Transformator 41 dargestellt ist. Der Transformator 41 wird dabei mit einer Spannung beaufschlagt, welche durch einen ihm vorgeschalteten DC/AC-Wandler 3 (DC = Gleichstrom, AC = Wechselstrom) bereitgestellt wird. Dem DC/AC-Wandler wiederum ist ein AC/DC-Wandler 21 vorgeschaltet, welcher die dreiphasige Spannung aus einem (Versorgungs-)Netz 1 in eine einzelne Gleichspannung wandelt. Meist ist noch zwischen den AC/DC-Wandler 21 und dem DC/AC-Wandler 3 ein Zwischenspeicherkondensator (DC-Link Kondensator) C1 geschaltet. Solche Zwischenspeicherkondensatoren dienen der Spannungsglättung. For charging rechargeable batteries, for example for use in electrically powered vehicles, various possible devices are known. All approaches are based on the supply of battery cells with DC and a galvanic isolation from the power grid. Galvanic isolation is generally referred to as the electrical separation of two circuits. Charge carriers, it is not possible to flow from one circuit to the other, since there is no electrically conductive connection between the two circuits. For galvanic separation, in particular of high currents and / or voltages leading circuits is usually a transformer used, as in the charging device in 1 as a transformer 41 is shown. The transformer 41 In this case, a voltage is applied, which by a DC / AC converter connected upstream 3 (DC = DC, AC = AC) is provided. The DC / AC converter in turn is an AC / DC converter 21 upstream of which the three-phase voltage from a (supply) network 1 converted into a single DC voltage. Most is still between the AC / DC converters 21 and the DC / AC converter 3 a latch capacitor (DC link capacitor) C1 is connected. Such intermediate storage capacitors are used for voltage smoothing.

Zwischen Netz 1 und AC/DC-Wandler 21 ist häufig auch ein Netz- oder LC-Filter (in 1 nicht dargestellt) geschaltet. Ein LC-Filter ist eine elektrische Schaltung, die sowohl von elektrischen Geräten in das öffentliche Netz 1 abgegebene elektrischen Störungen begrenzt, als auch die elektromagnetische Verträglichkeit elektrischer Geräte gegenüber Störungen aus dem Netz 1 verbessert. Between network 1 and AC / DC converter 21 is often also a network or LC filter (in 1 not shown). An LC filter is an electrical circuit used by both electrical devices in the public network 1 limited electrical interference as well as the electromagnetic compatibility of electrical equipment against interference from the network 1 improved.

Da zum Laden der Batterien Gleichstrom benötigt wird, weist die Anordnung einen zweiten AC/DC-Wandler 22 auf, welcher dem Transformator 41 nachgeschaltet ist. Dieser zweite AC/DC-Wandler 22 wandelt den Wechselstrom, welcher vom Transformator bereitgestellt wird in einen Gleichstrom. Zwischen AC/DC-Wandler 22 und Batterie B ist meistens ein weiterer Zwischenspeicherkondensator C2 geschaltet. Because DC power is required to charge the batteries, the arrangement includes a second AC / DC converter 22 on which the transformer 41 is downstream. This second AC / DC converter 22 converts the alternating current provided by the transformer into a direct current. Between AC / DC converter 22 and battery B is usually another intermediate storage capacitor C2 connected.

Da sich die Größe des verwendeten Transformators 41 unter anderem umgekehrt proportional zur Frequenz des eingespeisten Stromes verhält, wird diese zumeist möglichst groß gewählt, um den Transformator 41 möglichst klein zu halten. Die Frequenzen liegen bei üblichen Lösungen oft bei mehr als 20kHz. In 2 ist der Verlauf des Stroms I(t) und der Spannung (U), mit denen der Transformator 41 beaufschlagt wird, über der Zeit dargestellt. Die Spannung U(t) weist dabei eine rechteckige und der Strom I(t) eine annähernd dreieckige Form auf. Der Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t1 und t0 legt dabei die Periodendauer T fest. Der Zeitpunkt t1 liegt beispielsweise bei 1µs, wodurch sich eine Frequenz von 100kHz ergibt. Ein dreieckförmiger Strom stellt jedoch ein Problem in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) dar. Störsignale werden verstärkt durch Unstetigkeiten im Stromverlauf erzeugt. Beim Betrieb des Transformators 41 mit rechteckiger Spannungsverteilung (Spannungsblöcke), entstehen hochfrequente Anteile, aus welchen die EMV-Probleme resultieren. Je steiler die Flanken im Stromverlauf (bei gleicher Amplitude) sind, umso stärker ist die störende Abstrahlung. As the size of the transformer used 41 Among other things, inversely proportional to the frequency of the injected current behavior, this is usually chosen as large as possible to the transformer 41 keep as small as possible. The frequencies are often more than 20kHz in common solutions. In 2 is the course of the current I (t) and the voltage (U) with which the transformer 41 is presented over time. The voltage U (t) has a rectangular and the current I (t) an approximately triangular shape. The period between the times t 1 and t 0 determines the period T. The time t 1 is for example at 1μs, resulting in a frequency of 100kHz. A triangular current, however, presents a problem in terms of electromagnetic compatibility (EMC). Interference signals are increasingly generated by discontinuities in the course of the current. During operation of the transformer 41 with rectangular voltage distribution (voltage blocks), high-frequency components arise, which result in EMC problems. The steeper the flanks in the current flow (with the same amplitude), the stronger the disturbing radiation.

Aus diesem Grund wird auch auf Lösungen zurückgegriffen, bei denen der Transformator mit sinusförmigen Strömen betrieben wird. Es treten bei diesen Lösungen durch die stetigen Flanken des sinusförmigen Stroms erheblich weniger Probleme mit der EMV auf. Bei derartigen Anordnungen wird der Transformator 41 jedoch mit deutlich niedrigeren Frequenzen um die 50Hz beaufschlagt, so dass bei solchen Lösungen große und schwere und dadurch teuere Transformatoren nötig sind. For this reason, solutions are also used in which the transformer is operated with sinusoidal currents. With these solutions, the steady edges of the sinusoidal current cause considerably fewer problems with the EMC. In such arrangements, the transformer 41 However, with significantly lower frequencies applied to the 50Hz, so that in such solutions large and heavy and therefore expensive transformers are needed.

3 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung. Dabei ist zunächst dem Netz 1 ein (optionales) LC-Filter 5 nachgeschaltet. Anschließend wird der Dreiphasenwechselstrom des Netzes 1 einem Matrix-Umrichter 6 zugeführt. Ein Matrix-Umrichter 6 ist ein Frequenzumrichter, der aus einem ersten Wechselstrom einen diesem gegenüber in Amplitude und Frequenz veränderten zweiten Wechselstrom generiert. Diese Umwandlung mit Frequenzumrichtern erfolgt üblicherweise in zwei Stufen. Die erste Stufe ist die Gleichrichtung, die zweite Stufe die Wechselrichtung. Zwischen die beiden Stufen ist ein reaktiver Energiespeicher geschaltet, der für die Entkopplung der Stufen sorgt, so dass die Steuerung der beiden Stufen unabhängig voneinander erfolgen kann. Der Energiespeicher ist in den meisten Fällen ein Kondensator. Im Gegensatz zu anderen Frequenzumrichtern wird beim Matrix-Umrichter 6 jede Netzphase (Eingansleiter E) direkt mit jeder Phase der Last (Ausgangsleiter A) verbunden. Der Matrix-Umrichter 6 zeichnet sich dabei dadurch aus, dass er ohne den Zwischenkreiskondensator auskommt, welcher bei normalen Umrichtern notwendig ist. 3 shows the structure of a charging device according to the invention. It is first the network 1 an (optional) LC filter 5 downstream. Subsequently, the three-phase alternating current of the network 1 a matrix inverter 6 fed. A matrix inverter 6 is a frequency converter that generates from a first alternating current a second alternating current which is changed in amplitude and frequency with respect thereto. This conversion with frequency converters usually takes place in two stages. The first stage is the rectification, the second stage the direction of change. Between the two stages, a reactive energy storage is connected, which ensures the decoupling of the stages, so that the control of the two stages can be independent of each other. The energy storage is in most cases a capacitor. Unlike other frequency converters, the matrix inverter 6 each mains phase (input conductor E) is connected directly to each phase of the load (output conductor A). The matrix inverter 6 characterized by the fact that it manages without the DC link capacitor, which is necessary for normal converters.

Die Bezeichnung Matrix-Umrichter wird des Öfteren auch für Grundschaltungen verwendet, welche keine Matrix-ähnliche Struktur aufweisen. Solche „indirekten“ Matrix-Umrichter lassen eine Optimierung durch Wegnahme einiger Bauteile, insbesondere IGBTs, zu und werden in Anlehnung an schwach bzw. sehr schwach besetzte Matrizen Sparse-Matrix- oder Very-Sparse-Matrix-Umrichter genannt. Ist die Matrix voll besetzt, so spricht man auch von Voll-Matrix-Umrichtern. The term matrix converter is often used also for basic circuits, which have no matrix-like structure. Such "indirect" matrix converters allow optimization by removing some components, in particular IGBTs, and are named Sparse-Matrix or Very-Sparse-Matrix inverters, based on matrices that are weak or very sparse. If the matrix is fully occupied, then one speaks of full-matrix inverters.

Der Matrix-Umrichter 6 stellt einen weiteren Dreiphasenwechselstrom zur Verfügung, mit welchem der nachgeschaltete Transformator 42 betrieben wird. Hierbei kommt ein Drehstromtransformator 42 zum Einsatz. Ein Drehstromtransformator 42 fasst die zur Transformation in einem Dreiphasensystem notwendigen drei einzelnen Transformatoren zu einem einzigen zusammen. Die Primär- und Sekundärseite eines Drehstromtransformators weisen jeweils drei getrennte Wicklungen auf einem Magnetkern auf. Am Ausgang des Drehstromtransformators 42 ist ein dritter Dreiphasenwechselstrom abgreifbar. Da zum Laden von Batterien jedoch Gleichstrom benötigt wird, ist dem Drehstromtransformator 42 ein AC/DC-Wandler 23 nachgeschaltet, der den Dreiphasenwechselstrom in einen einzelnen Gleichstrom zur Ladung der Batterien umwandelt. Auch bei der erfindungsgemäßen Ladungsvorrichtung kann zwischen AC/DC-Wandler 23 und Batterie B ein Zwischenkreiskondensator C3 geschaltet sein. The matrix inverter 6 provides another three-phase alternating current, with which the downstream transformer 42 is operated. Here comes a three-phase transformer 42 for use. A three-phase transformer 42 summarizes the three individual transformers necessary for transformation in a three-phase system into a single one. The primary and secondary sides of a three-phase transformer each have three separate windings on a magnetic core. At the output of the three-phase transformer 42 is a third three-phase alternating current can be tapped. However, since DC is needed to charge batteries, the three-phase transformer is 42 an AC / DC converter 23 connected downstream, which converts the three-phase alternating current into a single direct current for charging the batteries. Also in the charging device according to the invention can be between AC / DC converter 23 and battery B, a DC link capacitor C3 be connected.

4 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung detailliert. Dabei sind die wichtigsten Komponenten des Matrix-Umrichters 6 zu erkennen. Jeder Eingangsleiter E des Matrix-Umrichters 6 ist mit jedem Ausgangsleiter A mittels jeweils eines Schalters 8 verbunden. Jeweils im seriellen Zweig angeordnete Induktivitäten 501, 502, 503 und jeweils im Parallelkreis angeordnete Kapazitäten 511, 512, 513 bilden dabei das LC-Filter (Netzfilter) 5. 4 shows the arrangement according to the invention in detail. These are the most important components of the matrix inverter 6 to recognize. Each input conductor E of the matrix inverter 6 is with each output conductor A by means of a switch 8th connected. In each case arranged in the serial branch inductors 501 . 502 . 503 and in each case arranged in the parallel circuit capacities 511 . 512 . 513 form the LC filter (line filter) 5 ,

Es können jedoch Störfälle auftreten, wenn beispielsweise der Strom in einem Ausgangsleiter A unterbrochen wird und aufgrund von Selbstinduktion der induktiven Beschaltung eine hohe Spannung erzeugt wird, die den Schalter zerstören kann. Solche Überspannungen müssen von den für die Schalter 8 verwendeten Halbleitern ferngehalten oder begrenzt werden. Aus diesem Grund ist beispielsweise ein Überspannungsschutz 7 wie zum Beispiel ein Spannungsbegrenzer im Matrix-Umrichter 6 vorteilhaft. However, faults can occur if, for example, the current in an output conductor A is interrupted and a high voltage is generated due to self-induction of the inductive circuit, which can destroy the switch. Such overvoltages must be from those for the switches 8th used or limited semiconductor used. For this reason, for example, a surge protector 7 such as a voltage limiter in the matrix inverter 6 advantageous.

In der Abbildung ist zudem im Detail dargestellt, wie jeder der drei Ausgangsleiter A des Matrix-Umrichters 6 zu dem Drehstromtransformator 42 geführt ist und wie die jeweils drei Wicklungen des Drehstromtransformators 42 auf Primär- und Sekundärseite verschaltet sind. Vom Drehstromtransformator 42 wird wie bereits beschrieben ein weiterer Dreiphasenstrom bereitgestellt. Dieser wird dem AC/DC-Wandler 23 zugeführt, welcher beispielsweise als üblicher Diodengleichrichter ausgebildet ist und in der Abbildung schematisch durch zwei Dioden dargestellt ist. Zwischen den AC/DC-Wandler 23 und die Batterie B, welche mit der vom AC/DC-Wandler 23 bereitgestellten einzelnen Gleichspannung geladen werden soll, ist wiederum ein Zwischenkreiskondensator C3 geschaltet. The figure also shows in detail how each of the three output conductors A of the matrix converter 6 to the three-phase transformer 42 is guided and how the three windings of the three-phase transformer 42 are interconnected on the primary and secondary side. From the three-phase transformer 42 As already described, a further three-phase current is provided. This becomes the AC / DC converter 23 supplied, which is formed for example as a conventional diode rectifier and is shown schematically in the figure by two diodes. Between the AC / DC converters 23 and the battery B, which is the one of the AC / DC converter 23 is to be loaded provided single DC voltage, in turn, a DC link capacitor C3 is connected.

5 zeigt den Verlauf des Ausgangsstromes (modulierter Eingangsstrom) I(t) des Matrix-Umrichters 6 in der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung. Der Strom I(t) ist in der Grundwelle sinusförmig, die eine Frequenz im Bereich unter oder um die 400Hz hat. Die EMV-Probleme sind durch die Beschickung des Drehstromtransformators 42 mit dem sinusförmigen Strom I(t) aufgrund der geringen Steilheit der Flanken und stetiger Verläufe der elektrischen Größen deutlich reduziert. Der Zeitpunkt t1, aus welchem sich wiederum die Periodendauer T ergibt (T = t1 – t0), liegt hier beispielsweise bei 2,5ms. Die Frequenz liegt demnach bei 400Hz. Durch das Speisen des Drehstromtransformators 42 mit einem Strom I(t) mit einer Frequenz um die 400Hz, kann der Transformator 42 deutlich kleiner ausgelegt werden, als bei bekannten Vorrichtungen, welche mit 50Hz betrieben werden. In der Abbildung ebenfalls dargestellt ist die Betriebsfrequenz f der im Matrix-Umrichter verwendeten Schalter. Diese Frequenz f liegt beispielsweise bei mehr als 15kHz. Für die für die Schalter verwendeten Bauteile sind in Bezug auf die EMV hohe Frequenzen von Vorteil. Die mit der Schaltfrequenz einhergehenden Störungen werden mit höherer Betriebsfrequenz f immer kleiner. Zudem kommen meist Filter zur Unterdrückung dieser Störungen zum Einsatz, welche ebenfalls mit höherer Betriebsfrequenz f kleiner werden. 5 shows the course of the output current (modulated input current) I (t) of the matrix inverter 6 in the charging device according to the invention. The current I (t) is sinusoidal in the fundamental, which has a frequency in the range below or around 400Hz. The EMC problems are due to the charging of the three-phase transformer 42 significantly reduced with the sinusoidal current I (t) due to the low slope of the edges and continuous curves of the electrical quantities. The time t 1 , from which in turn results in the period T (T = t 1 - t 0 ), here is for example at 2.5ms. The frequency is therefore 400Hz. By feeding the three-phase transformer 42 with a current I (t) with a frequency around the 400Hz, the transformer can 42 be made significantly smaller than in known devices which are operated at 50Hz. Also shown in the figure is the operating frequency f of the switches used in the matrix inverter. For example, this frequency f is more than 15 kHz. The components used for the switches have high frequencies in terms of EMC. The disturbances associated with the switching frequency become smaller and smaller with higher operating frequency f. In addition, mostly filters for suppressing these disturbances are used, which are also smaller with higher operating frequency f.

Die für den Matrix-Umrichter 6 verwendeten Schalter 8 müssen in der Lage sein, in beide Richtungen Strom zu führen oder Spannungen aufnehmen zu können. Aus diesem Grund kommen bidirektionale Schalter 8 zum Einsatz. Da es bisher keine monolithisch integrierten Halbleiterschalter gibt, welche diese Funktion erfüllen, müssen diese derzeit noch aus verfügbaren Einzelelementen zusammengesetzt werden. Die 6 bis 9 zeigen verschiedene Möglichkeiten, die bidirektionalen Schalter 8 aus Einzelelementen aufzubauen. So können die Schalter 8 beispielsweise jeweils aus zwei rückwärtssperrenden IGBTs 800 in Antiparallelschaltung aufgebaut werden. Dies ist in 6 dargestellt. Eine weitere Möglichkeit ist, wie in 7 gezeigt, die Gegenreihenschaltung zweier nichtrückwärtssperrender IGBTs 801 mit jeweils antiparalleler Freilaufdiode 810. Dabei sind die beiden IGBTs 801 kollektorseitig miteinander verbunden. 8 zeigt ebenfalls eine Gegenreihenschaltung zweier nichtrückwärtssperrender IGBTs 801 mit jeweils antiparalleler Freilaufdiode 810. In dieser Anordnung sind jedoch die IGBTs 801 emitterseitig miteinander verbunden. The for the matrix converter 6 used switch 8th must be able to carry current in both directions or to absorb voltages. Because of this come bi-directional switches 8th for use. Since there are no monolithically integrated semiconductor switches that fulfill this function, they currently have to be assembled from available individual elements. The 6 to 9 show different ways, the bidirectional switch 8th to build from individual elements. So can the switches 8th For example, each of two reverse blocking IGBTs 800 be built in anti-parallel connection. This is in 6 shown. Another option is as in 7 shown the Gegenreihenschaltung two non-reverse blocking IGBTs 801 each with antiparallel freewheeling diode 810 , Here are the two IGBTs 801 connected on the collector side. 8th also shows a counter-series connection of two non-reverse blocking IGBTs 801 each with antiparallel freewheeling diode 810 , In this arrangement, however, are the IGBTs 801 connected on the emitter side.

Es ist jedoch auch möglich, anstatt IGBTs 800, 801, beispielsweise JFets 820 zu verwenden. Dies können insbesondere SiC-JFets sein. Auch hier ist, wie in 9 gezeigt, eine Gegenreihenschaltung der JFets 820 mit jeweils antiparalleler Freilaufdiode 810 möglich. However, it is also possible, rather than IGBTs 800 . 801 , for example JFets 820 to use. These may be in particular SiC-JFets. Again, as in 9 shown, a counter-series of the JFets 820 each with antiparallel freewheeling diode 810 possible.

Bei Verwendung von Halbleitern, die aus anderen Materialien hergestellt sind, beispielsweise SiC-JFets, können die Schaltfrequenzen zumeist höher liegen als bei heutzutage üblichen Silizium-Bauteilen. Dadurch kann der Eingangsfilter wiederum kleiner ausgelegt und weiter Platz gespart werden. When using semiconductors that are made of other materials, such as SiC-JFets, the switching frequencies can usually be higher than in today's conventional silicon components. As a result, the input filter can again be made smaller and further space can be saved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010002962 A1 [0005] DE 102010002962 A1 [0005]
  • WO 2006/064279 A1 [0005] WO 2006/064279 A1 [0005]

Claims (6)

Ladevorrichtung für wiederaufladbare Batterien mit einem Matrix-Umrichter (6), der aus einem ihm zugeführten Dreiphasenwechselstrom einen demgegenüber in Amplitude und Frequenz veränderten zweiten Dreiphasenwechselstrom generiert, einem dem Matrix-Umrichter (6) nachgeschalteten Drehstromtransformator (42), der einen von dem zweiten Dreiphasenwechselstrom galvanisch getrennten dritten Dreiphasenwechselstrom bereitstellt, wobei der zweite Dreiphasenwechselstrom, mit dem der Drehstromtransformator (42) gespeist wird, eine Frequenz von mehr als 200 Hz aufweist, und einem dem Drehstromtransformator (42) nachgeschalteten Dreiphasengleichrichter (23), der den dritten Dreiphasenwechselstrom in einen einzelnen Gleichstrom zur Ladung der Batterie umwandelt. Charging device for rechargeable batteries with a matrix converter ( 6 ), which in turn generates a second three-phase alternating current which is changed in amplitude and frequency from a three-phase alternating current supplied thereto, to a matrix converter ( 6 ) downstream three-phase transformer ( 42 ) providing a third three-phase alternating current electrically isolated from the second three-phase alternating current, wherein the second three-phase alternating current with which the three-phase transformer ( 42 ), has a frequency of more than 200 Hz, and a three-phase transformer ( 42 ) downstream three-phase rectifier ( 23 ), which converts the third three-phase alternating current into a single direct current to charge the battery. Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Matrix-Umrichter (6) mit einer einstellbaren Schaltfrequenz f betrieben wird, wobei diese Schaltfrequenz mehr als 12kHz beträgt. Charging device according to Claim 1, in which the matrix converter ( 6 ) is operated at an adjustable switching frequency f, wherein this switching frequency is more than 12kHz. Ladevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Matrix-Umrichter (6) eine Schaltermatrix aus bidirektionalen Schaltern (8) aufweist. Charging device according to one of claims 1 or 2, in which the matrix converter ( 6 ) a switch matrix of bidirectional switches ( 8th ) having. Ladevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ein Netzfilter (5) zum Begrenzen elektrischer Störungen aufweist, wobei das Netzfilter (5) Induktivitäten und Kondensatoren umfasst. Charging device according to one of claims 1 to 3, which is a line filter ( 5 ) for limiting electrical interference, wherein the line filter ( 5 ) Inductors and capacitors. Ladevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Matrix-Umrichter (6) in Voll-Matrix, Sparse-Matrix oder Very-Sparse-Matrix Topologie realisiert ist. Charging device according to one of the preceding claims, in which the matrix converter ( 6 ) is realized in full-matrix, sparse-matrix or very-sparse-matrix topology. Ladevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Matrix-Umrichter (6) einen Überspannungsschutz (7) zum Schutz der Schalter (8) vor hohen Spannungen aufweist. Charging device according to one of the preceding claims, in which the matrix converter ( 6 ) an overvoltage protection ( 7 ) to protect the switches ( 8th ) has high voltages.
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