DE102012017801A1

DE102012017801A1 - Bidirektionaler Batteriewechselrichter

Info

Publication number: DE102012017801A1
Application number: DE102012017801A
Authority: DE
Inventors: Michael Gottschlich
Original assignee: E3 DC GmbH
Current assignee: E3 DC GmbH
Priority date: 2011-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Es wird ein bidirektionaler Batteriewechselrichter (1) beschrieben, mit einem DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3), an dem primärseitig eine Batterie (2) anschließbar ist, zur Erzeugung einer AC-Ausgangsspannung aus einer Batteriespannung der Batterie (2) in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie (2) in einem Ladebetrieb, wobei das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) einen HF-Transformator (4) umfasst, und mit einem sekundärseitig dem DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) nachgeschalteten DC/AC-Wandlerschaltungsteil (5). Dabei sind das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) und das DC/AC-Wandlerschaltungsteil (5) unmittelbar verschaltet, und das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) weist zur Spannungsangleichung an dem HF-Transformator (4) mehrere Halb- oder Vollbrückenschaltungen bildende, unsymmetrisch angesteuerte Halbleiterelemente (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) sowie eine Leistungsdrossel (6) auf.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Batteriewechselrichter nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
STAND DER TECHNIK
Bidirektionale Wechselrichter werden in der Praxis eingesetzt, um eine DC-Batteriespannung von beispielsweise 12 Volt in eine 50 Hz oder 60 Hz AC-Spannung von z. B. 230 Volt umzuwandeln und die Batterie aus der AC-Spannung aufzuladen.
Ein bidirektionaler Batteriewechselrichter der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2005 023 290 A1 bekannt.
Dieser bekannte Batteriewechselrichter weist eingangsseitig ein mit einer Batterie verbundenes DC/DC-Wandlerschaltungsteil mit einem HF-Transformator und symmetrisch angesteuerten Halbleiterelementen in Brückenschaltung auf. Sekundärseitig weist der Batteriewechselrichter ein DC/AC-Wandlerschaltungsteil auf, wobei zwischen dem DC/DC-Wandlerschaltungsteil und dem DC/AC-Wandlerschaltungsteil ein Hoch-Tiefsetzsteller zwischengeschaltet ist. Der Hoch-Tiefsetzsteller setzt sekundärseitig die Spannung auf einen Bereich herunter, welcher einen bidirektionalen Modus des HF-Transformators erlaubt.
Hierbei tritt das Problem auf, dass durch einen weiteren DC/DC-Wandler als Vor- oder Nachfolgestufe wie im Falle des Hoch-Tiefstellers der DE 10 2005 023 290 A1 unerwünschte Verluste auftreten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bidirektionalen Batteriewechselrichter zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
TECHNISCHE LÖSUNG
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem bidirektionalen Batteriewechselrichter gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Mithin ist ein bidirektionaler Batteriewechselrichter vorgesehen mit einem DC/DC-Wandlerschaltungsteil, an dem primärseitig eine Batterie anschließbar ist, zur Erzeugung einer AC-Ausgangsspannung aus einer Batteriespannung der Batterie in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie in einem Ladebetrieb, wobei das DC/DC-Wandlerschaltungsteil einen HF-Transformator umfasst, und mit einem sekundärseitig dem DC/DC-Wandlerschaltungsteil nachgeschalteten DC/AC-Wandlerschaltungsteil. Erfindungsgemäß sind dabei das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) und das DC/AC-Wandlerschaltungsteil (5) unmittelbar verschaltet, und das DC/DC-Wandlerschaltungsteil weist zur Spannungsangleichung an dem HF-Transformator mehrere Halb- oder Vollbrückenschaltungen bildende, unsymmetrisch angesteuerte Halbleiterelemente sowie eine Leistungsdrossel auf.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN UND WEITERBILDUNGEN
Ein Batteriewechselrichter gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass durch die direkte, unmittelbare Verschaltung des DC/DC-Schaltungsteils mit dem DC/AC-Schaltungsteil ohne Hoch-Tiefsetzer oder einem weiteren vor- oder nachgeschalteten DC/DC-Schaltungsteil zur Spannungsmodulation auf einen bidirektionalen Arbeitsbereich des HF-Transformators eine signifikante Verlust- und Kostenreduktion erzielt wird.
Nach empirischen Untersuchungen kann mit der Erfindung gegenüber bekannten Lösungen mit zusätzlichen DC/DC-Stufen eine Verlustreduktion von wenigstens 2% erreicht werden.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine schnelle, unsymmetrisch getaktete Ansteuerung der jeweils auf einer Seite des Transformators Halb- oder Vollbrücken bildenden Halbleiterelemente und eine Verschaltung mit dem HF-Transformator über eine Leistungsdrossel, an der im Unterschied zu typischerweise für Streuinduktivitäten vorgesehene Drosseln die volle Leistung umgesetzt wird, einen bidirektionalen Transformatorbetrieb bei einer weiten Spannungsbandbreite ermöglichen, welche eine Vor- oder Nachschaltstufe z. B. in Form eines Hoch-Tiefsetzers erübrigt.
Somit ermöglicht allein die Halbleiteransteuerung und die Drossel eine direkte Spannungsvariabilität am Transformator und damit einen bidirektionalen Stromtransport am Transformator in einem weiten, beispielsweise 10 bis 90 prozentigen Spannungsbereich.
Neben der Kosten- und Verlustreduktion wird auch eine sehr kompakte Bauform des Batteriewechselrichters möglich, welche sich zum Einsatz in kleinsten Bauräumen eignet.
Bei einer vorteilhaften Ausführung des Batteriewechselrichters nach der Erfindung können die primärseitigen Halbleiterschalter und die sekundärseitigen Halbleiterschalter jeweils eine Vollbrücke mit einer Mittelpunktschaltung bilden.
Wenngleich grundsätzlich auch Halbbrückenschaltungen möglich sind, bietet die Vollbrückenschaltung die Nutzung aller Vorteile einer Vollbrückenwandlung am Transformator, wobei insbesondere eine höhere Ausgangsspannung erzielt wird.
Prinzipiell können die Vollbrücken unsymmetrisch oder symmetrisch aufgebaut sein, wobei eine symmetrische Doppelbrücke aufgrund der größeren Effizienz bevorzugt wird.
Die Halbleiterelemente können durch Schnell-Halbleiter gebildet werden, insbesondere mit einer Taktung zwischen 10 kHz und 100 kHz.
Dabei haben sich IGBTs als Halbleiterelemente aufgrund der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit und kurzen Erholungszeit als besonders zweckmäßig erwiesen.
Um gezielt schnell ausschalten zu können, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Halbleiterelemente einen Gatetreiber mit negativer Spannung aufweisen.
Bedeutsam sind eine schnelle Strommessung und der Einsatz schneller Regler für die Ansteuerung mit einer Taktung zwischen beispielsweise 30 Hz und 50 Hz, wobei sich FPGA-Regler als besonders geeignet gezeigt haben.
Als Stromsensor kann ein Übertrager Anwendung finden, der ohne AD/Wandler und FPGA verwendet wird, um mit einem Komparator eine Schaltschwelle für einen Abschaltvorgang zu haben. Eine sehr schnelle Messung ist deshalb vorteilhaft, weil z. B. Nanoperm-Material schneller in die Sättigung geht im Vergleich zu Ferritkernen, so dass hier durch eine schnelle Messung sehr genau abgeschaltet werden kann und der Strombereich ausgenutzt werden kann.
Zusätzlich zur Brückenregelung kann zur Messung eines mittleren Batteriestroms ein Nebenschlusswiderstand (Shunt) vorgesehen sein.
Von besonderer Bedeutung ist für eine effiziente Ausführung der Erfindung die Leistungsfähigkeit des HF-Transformators. Eine besonders große Leistungsfähigkeit wird mit einem zur Ausführung der Erfindung bevorzugten HF-Transformator auf Basis eines nanokristallinen Materials mit einer Sättigungsflussdichte von vorzugsweise größer 0,4 Tesla erzielt.
Unter den nanokristallinen Materialien hat sich wiederum hochpermeables Nanoperm-Material mit seiner hohen Flussdichte insbesondere bei einer 30–50 Hz-Takt-Ansteuerung als wirkungsgradoptimal herausgestellt.
Als Kombination wird vor allem die Verwendung von IGBTs als Halbleiterelemente mit einem HF-Transformator aus hochpermeablem Nanoperm-Material bevorzugt.
In weiterer Ausgestaltung eines Batteriewechselrichters nach der Erfindung kann der HF-Transformator mit einem Resonanzkondensator einen Resonanzkreis bilden.
Damit können alle Vorteile des resonanten Schaltens mit hohen Schaltgeschwindigkeiten ohne den Nachteil großer Durchlassverluste auf der Unterspannungsseite genutzt werden.
Der HF-Transformator kann in bekannter Weise primärseitig zwei Wicklungen mit einem Mittelabgriff aufweisen, der zu einer leistungselektronischen Mittelpunktschaltung mit Halbleiterschaltern geschaltet ist, wobei sekundärseitig eine Wicklung vorhanden ist, an der der Resonanzkondensator in Serie geschaltet ist.
Geeignet ist beispielsweise ein Aufbau mit einem Resonanzkondensator gemäß der DE 10 2005 023 290 A1 . Demzufolge kann die Transformatorschaltung in zwei Teilschaltungen mit zwei HF-Transformatoren aufgebaut sein, wobei die Anordnungen versetzt getaktet werden, um eine geringere Kondensatorbelastung und einen geringeren HF-Ripplestrom in der DC-Quelle zu erhalten. Die Teilschaltungen können als Halbbrückenanordnung ausgeführt sein, womit sich ein kleineres Transformatorübersetzungsverhältnis mit geringer Streuinduktivität ergibt.
Neben den in der DE 10 2005 023 290 A1 beschriebenen Transformatoraufbauten kann der Fachmann selbstverständlich jede andere bekannte Transformatorgestaltung mit Resonanzkreis wählen, mit der eine verlustarme vollresonante Schaltung möglich ist.
Grundsätzlich ist es auch möglich, bei der Ausführung der Erfindung auf einen Resonanzkondensator zu verzichten.
Das DC/DC-Wandlerschaltungsteil ist vorzugsweise als ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ausgebildet.
Bei einer galvanischen Trennung des DC/DC-Wandlerschaltungsteils kann eine sehr hohe Spannungsvariabilität am Transformator erreicht werden, welche insbesondere in Verbindung mit einem Solarmodul vorteilhaft ist. Durch die galvanische Trennung kann das Potential eines Solarpanels auf Erde (PE) liegen, wodurch kein springendes Potential und keine Fehlerströme gegeben sind, die insbesondere mit weiterer Batterietechnik weitere Kapazitäten gegen PE darstellen.
Das DC/AC-Wandlerschaltungsteil kann als Vollbrücke zur Wandlung einer einphasigen AC-Spannung oder als Dreiphasenbrücke zur Wandlung einer dreiphasigen AC-Spannung ausgeführt sein.
Bei einer Verbindung mit Solarmodulen können Niedervoltbatterien mit z. B. 48 V an ein- und dreiphasige Solarwechselrichterzwischenkreise mit z. B. 400 V und 690 V angebunden werden (bzw. große Spannungsübersetzungsverhältnisse).
Insbesondere vorteilhaft wirkt sich die Erfindung in Verbindung mit Solarmodulen auf die Kosten eines solchen Systems aus. Aufgrund der geringen Herstellkosten eines Batteriewechselrichters nach der Erfindung können flexibel Solarmodule und Batterien an einen gemeinsamen Zwischenkreis angebunden werden.
Der Begriff „Batterie” ist vorliegend stellvertretend für eine DC-Quelle, welche eine Batterie, eine Brennstoffzelle, ein generatorgespeister DC-Zwischenkreis oder ein Doppelschichtkondensator (Ultracap) sein kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten bidirektionalen Batteriewechselrichters ist in der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Die Figur der Zeichnung zeigt dabei ein stark vereinfachtes, prinzipmäßiges Schaltbild eines Batteriewechselrichters gemäß der Erfindung.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die Figur ist ein stark vereinfachtes Schaltbild eines Batteriewechselrichters 1 ersichtlich, wobei dieser als ein bidirektionaler Batteriewechselrichter ausgebildet und an eine Batterie 2 angeschlossen ist. Der Batteriewechselrichter 1 dient zur Erzeugung einer AC-Ausgangsspannung aus einer Batteriespannung in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie 2 im Ladebetrieb, wobei der gezeigte Batteriewechselrichter 1 insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit Solarmodulen ausgelegt ist.
Der Batteriewechselrichter 1 umfasst hierzu ein DC/DC-Wandlerschaltungsteil 3 mit einem HF-Transformator 4. Weiterhin umfasst der Batteriewechselrichter 1 ein DC/AC-Wandlerschaltungsteil 5, das an der Ausgangsseite des Batteriewechselrichters 1 liegt. Bei der gezeigten Ausführung ist das DC/AC-Wandlerschaltungsteil 5 einphasig ausgebildet.
Der hier aus hochpermeablem Nanoperm-Material gebildete HF-Transformator 4 bildet vorliegend mit einem Resonanzkondensator einen Resonanzkreis.
Primärseitig ist der HF-Transformator 4 mit vier Halbleiterschaltern 11, 12, 13, 14 und einer Leistungsdrossel 6 sowie sekundärseitig ebenfalls mit vier Halbleiterschaltern 15, 16, 17, 18 verschaltet.
Die IGBTs darstellenden Halbleiterschalter 11 bis 18 bilden eine Mittelpunktschaltung mit zwei Vollbrücken, welche hohe Ausgangsspannungen ermöglichen.
Dabei erzeugen die Halbleiterelemente 11, 12, 13, 14 in Brückenschaltung die für die Spannungstransformation erforderliche Wechselspannung, die sekundärseitig durch die Halbleiterelemente 15, 16, 17, 18 in Brückenschaltung wieder in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Diese kann durch einen Glättungskondensator geglättet werden.
Durch eine präzise Ansteuerung der acht Halbleiterelemente 11 bis 18 in zwei Vollbrücken, durch die Leistungsdrossel 6, welche auf der Primärseite groß und optional klein auf der Sekundärseite ausgelegt ist, sowie mit einer Strommessung auf beiden Seiten und je nach Anwendungsfall mit einer optionalen Richtungsmessung ist eine sehr hohe Spannungsvariabilität an dem HF-Transformator 4 gegeben.
Bei der Ansteuerung wird vorliegend eine präzise Taktung vorgegeben, weil eine Ungenauigkeit der Schaltflanke und hoher Strom in eine Sättigung führen würden. Aus diesem Grund werden hierzu nicht näher dargestellte FPGA in Kombination mit einer geeigneten Sensor-Topologie eingesetzt, wobei mittlere Taktfrequenzen mit einem sehr genauen Timing (0.1 μs bei 33 μs Zykluszeit) eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005023290 A1 [0003, 0005, 0029, 0030]

Claims

Bidirektionaler Batteriewechselrichter (1) mit einem DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3), an dem primärseitig eine Batterie (2) anschließbar ist, zur Erzeugung einer AC-Ausgangsspannung aus einer Batteriespannung der Batterie (2) in einem Entladebetrieb und zum Laden der Batterie (2) in einem Ladebetrieb, wobei das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) einen HF-Transformator (4) umfasst, und mit einem sekundärseitig dem DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) nachgeschalteten DC/AC-Wandlerschaltungsteil (5), dadurch gekennzeichnet, dass das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) und das DC/AC-Wandlerschaltungsteil (5) unmittelbar verschaltet sind, und dass das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) zur Spannungsangleichung an dem HF-Transformator (4) mehrere Halb- oder Vollbrückenschaltungen bildende, unsymmetrisch angesteuerte Halbleiterelemente (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) sowie eine Leistungsdrossel (6) aufweist.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitigen Halbleiterschalter (11, 12, 13, 14) und sekundärseitigen Halbleiterschalter (15, 16, 17, 18) jeweils eine Vollbrücke mit einer Mittelpunktschaltung bilden
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) durch Schnell-Halbleiter gebildet werden, insbesondere mit einer Taktung zwischen 10 kHz und 100 kHz.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) durch IGBTs gebildet sind.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) einen Gatetreiber mit negativer Spannung aufweisen.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Transformator (4) aus nanokristallinem Material mit einer Sättigungsflussdichte von vorzugsweise größer 0,4 Tesla ausgebildet ist.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Transformator (4) aus Nanoperm-Material ausgebildet ist.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdrossel (6) primärseitig des HF-Transformators (4) zwischen dem HF-Transformator (4) und primärseitigen Halbleiterelementen (11, 12, 13, 14) angeordnet ist.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass primär- und sekundärseitig des HF-Transformators (4) eine Strommesseinrichtung und vorzugsweise eine Stromrichtungsmesseinrichtung angeordnet ist.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das DC/DC-Wandlerschaltungsteil (3) als ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ausgebildet ist.
Bidirektionaler Batteriewechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung eines mittleren Batteriestroms ein Nebenschlusswiderstand (Shunt) vorgesehen ist.