Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Schaltung mit einer Stromrichterschaltung und auf ein Verfahren zur Leistungsanpassung einer Schaltung mit einer Stromrichterschaltung.Embodiments of the present invention relate to a circuit with a power converter circuit and to a method for power matching a circuit with a power converter circuit.
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.Converter circuits serve, for example, for DC-AC conversion, AC-DC conversion or DC-DC conversion. In particular, in the course of electromobility, new requirements are placed on power converters (power electronics), which are used, for example, for battery charging and for regenerative power supply. Important features here are the compliant charging power and the cost of such in-vehicle charging electronics and stationary charging stations.
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.In this case, so-called DC quick charging stations are often used to allow a quick charge of a battery of an electric vehicle. Such a DC fast charging station can, for example, a topology, as shown in 7 is shown. 7 shows the DC quick charging station 110 and one via an interface 121 to this DC quick charging station 110 connected powertrain 120 an electric vehicle.
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.The powertrain 120 An electric vehicle typically has a high-voltage battery 122 for storing the electrical energy and an electric motor 128 for converting the electrical energy into kinetic energy. As the electric motor 128 typically operated with AC voltage, which is in the high-voltage battery 122 electrical energy stored as DC voltage with a so-called three-phase inverter 126 (Inverter) converted into a three-phase AC voltage. The charge of the high-voltage battery 122 takes place in the fast charge mode by means of a DC voltage, which via the interface 121 from the DC quick charging station 110 provided. The DC quick charging station 110 itself typically has power electronics 114 on to based off of the AC mains 105 removed AC voltage at the interface 121 to provide a corresponding DC voltage after rectification and adaptation. The power electronics 114 For example, an input rectifier 114a and a DC / DC converter 114b exhibit. Furthermore, the power electronics 114 a galvanic isolation 114c include.
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.In the patent US 2011/0148353 A1 a fast charging method is described in which the vehicle or the battery is connected directly to the DC bus of the DC quick charging station. Several vehicles can be coupled in parallel on the DC bus and supplied with charging power, although the charging power decreases with a higher number of vehicles. In the vehicle extra components for a DC charge with lower charging power are available, which are used to adjust the charging voltage or the charging current. In principle, the topology of the DC-fast charging station used in this concept corresponds to the below mentioned 7 described topology, using multiple interfaces 121 Several vehicles can dock parallel to the store. It is further noted that the output voltage provided by the DC fast charging station may be fixed or variable. This output voltage then has to cover the entire bandwidth of the battery terminal voltage as well as the resulting charging currents. The consequence of this is that the active and passive components often do not operate in the optimum operating range, which leads to a reduction in the efficiency. Furthermore, such DC charging stations, as shown in 7 are shown, because of the high number of components very complex and expensive.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, die einen verbesserten Kompromiss zwischen Komponentenzahl bzw. Komponentendimensionierung und übertragbarer elektrischer Leistung schafft.Therefore, it is an object of the present invention to provide a circuit that provides an improved trade-off between component numbering and transferable electrical power.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst.This object is achieved by a circuit according to claim 1 and by a method according to claim 16.
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.Embodiments of the present invention provide a circuit having a first voltage terminal, a second voltage terminal, a power converter circuit, and a controller. The power converter circuit, which has at least one switchable element and at least one choke, is connected between the first voltage connection and the second voltage connection and designed to provide a DC voltage adjustment between a first DC voltage applied to the first voltage connection and a second DC voltage applied to the second voltage connection make. The controller is configured to control the power converter circuit at a variable switching frequency, the lower the variable switching frequency, the higher the electrical power to be transmitted between the first and the second voltage terminal is and vice versa.
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.Embodiments of the present invention are based on the fact that it has been recognized that a converter circuit with constant dimensioning of the components used (eg transistors or inductors) can transmit a higher electrical power if the switching frequency with which the converter circuit is driven is reduced as a result of the situation , Background to this is that at lower switching frequency, the losses of the switchable elements such. B. the transistors of the half-bridges (power semiconductor), can be reduced, which leads to an increase in the transferable electrical power. Therefore, it is advantageous if the switching frequency is variably regulated as a function of the power to be transmitted by the controller so that at any time an optimal compromise of electrical power to be transmitted at low component count or smaller dimensions of the components used and the resulting current fluctuation is achieved.
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.According to further embodiments, the power converter circuit comprises a plurality of switchable elements, the z. B. are arranged as half bridges, on, wherein the controller is adapted to shift the Ansteuergrad the switchable elements in their phase. In the case of a phase offset with a phase offset of 360 ° / n shifted (n = number of switchable elements or half bridges and associated throttle) has the advantage that the resulting current fluctuation and thus the residual ripple of the provided first or second DC voltage the first or the second voltage connection can be reduced.
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.According to further exemplary embodiments, the power converter circuit has an arrangement with n half bridges (eg H4 bridge arrangement), which each have a first and a second common potential lead, via which the power converter circuit is connected to the second voltage connection. The n half-bridges are each connected via a central node to the n chokes, which can be coupled to the first voltage connection. In this case, the control of the n half-bridges takes place, ie with a phase shift of 360 ° / n, so that the resulting current fluctuation width can be reduced. This principle is z. B. in a power converter circuit with three half-bridges and three inductors (B6 half-bridge arrangement) applicable. The three half-bridges each have a first and a second common potential lead, via which the power converter circuit is connected to the second voltage terminal. The three half-bridges are each connected via a central node to a choke, which in turn can be coupled to a first voltage terminal. In order to reduce the resulting current fluctuation width in the B6 arrangement of the three half bridges, the three half bridges are each driven by 120 ° out of phase by the controller.
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.According to further embodiments, the present invention provides a method for power matching a circuit having a first voltage terminal, a second voltage terminal and a power converter circuit having at least one choke and at least one switchable element. The method comprises the step of varying the switching frequency in response to an electrical power to be transmitted, the lower the variable switching frequency, the higher the electrical power to be transmitted between the first and second voltage terminals, and vice versa. This method has the advantage that the maximum power to be transmitted or the efficiency as a function of a maximum output or retroactive resulting current fluctuation width by means of the switching frequency, which serves to drive the one or more half-bridges, can be controlled.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung mit einer Stromrichterschaltung und einer Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 a schematic block diagram of a circuit with a power converter circuit and a controller according to an embodiment;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Stromrichterschaltung mit einem zusätzlichen Wechselspannungsanschluss gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a schematic block diagram of a power converter circuit with an additional AC voltage terminal according to an embodiment;
3a ein schematisches Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Schaltfrequenz und der zu übertragenden elektrischen Leistung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 3a a schematic diagram illustrating the relationship between the switching frequency and the electrical power to be transmitted according to an embodiment;
3b ein schematisches Diagramm zur Illustration der Abhängigkeit zwischen Aussteuergrad und resultierender Stromschwankungsbreite gemäß einem Ausführungsbeispiel; 3b a schematic diagram illustrating the relationship between Aussteuergrad and resulting current fluctuation width according to an embodiment;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung mit einer Stromrichterschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel in Kombination mit einer Hochvoltbatterie und einer E-Maschine; 4 a schematic block diagram of a circuit with a power converter circuit according to an embodiment in combination with a high-voltage battery and an electric motor;
5a–5b schematische Blockschaltbilder Stromrichterschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen in Kombination mit einem zusätzlichen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler; 5a - 5b schematic block diagrams converter circuits according to Embodiments in combination with an additional DC-DC converter;
6 ein schematisches Blockschaltbild einer Gleichspannungs-Schnellladestation zur Illustration der Anwendungsgebiete der Schaltung mit der Stromrichterschaltung gemäß Ausführungsbeispielen; und 6 a schematic block diagram of a DC fast charging station for illustrating the application of the circuit with the power converter circuit according to embodiments; and
7 ein schematisches Blockschaltbild der Topologie einer Gleichspannungs-Schnellladestation gemäß dem Stand der Technik. 7 a schematic block diagram of the topology of a DC fast charging station according to the prior art.
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.Before the embodiments are explained in more detail below with reference to the figures, it is pointed out that identical or equivalent elements are provided with the same reference numerals, so that the description of which is mutually applicable or interchangeable.
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 V18ab und an den zweiten Spannungsanschluss 32 eine zweite Gleichspannung V32ab angelegt wird. 1 shows a circuit 10 with a power converter circuit 42 that has at least one switchable element 42a_1 and a throttle 44a having. This at least one throttle 44a forms together with the at least one switchable element 42a_1 an up-converter or down-converter or synchronous converter connected between a first voltage terminal 18 and a second voltage connection 32 is interposed and formed, a voltage adjustment of the DC voltage at the first voltage terminal 18 to the DC voltage at the second voltage terminal 32 or vice versa. For this voltage adjustment between the first and the second voltage connection 18 and 32 becomes the power converter circuit 42 and in particular the switchable element 42a_1 from a controller 12 , z. B. a logic driven. In the following discussion of the operation of the circuit 10 It is assumed that at the first voltage connection 18 a first DC voltage V 18ab and to the second voltage terminal 32 a second DC voltage V 32ab is applied.
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 V18ab (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.This activation of the switchable element 42a_1 , z. B. a transistor or field effect transistor, z. B. periodically, so that a DC adjustment between a first DC voltage V 18ab (between the two poles 18a and 18b of the first voltage connection 18 ). This voltage adjustment may be, for example, boosting, bucking or inversion. Basically, any such voltage adjustment is based on the fact that the switchable element 42a_1 is periodically opened and closed, with either opening or each closing either energy in the throttle 44a is stored or energy of the throttle 44a is removed. By this switching, a change in the output voltage, wherein in part the shape of the output voltage, z. B. as a result of resulting ripples (ripple), is changed.
Die übertragbare Leistung mittels der Gleichspannung V18ab bzw. V32ab 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.The transmittable power by means of the DC voltage V 18ab or V 32ab depends on the dimensioning of the throttle 44a and the switchable element 42a_1 from. By dimensioning the throttle 44a the maximum electrical energy per switching operation is specified. Therefore, with conventional sizing of the elements of the power converter circuit 42 tries the fixed switching frequency of the switchable element 42a_1 as high as possible, so the throttle 44a as small as possible can be dimensioned. Conversely, it has been found that the electrical transmittable power can be increased by the switching frequency of the switchable element 42a_1 is reduced. The background to this is that switching losses occur every time the switchable element is switched 42a_1 can be reduced by reducing the number of switching operations at a low switching frequency. This effect can be used to adapt a circuit to an electrical power to be transmitted. That's why the controller is 12 designed to be dependent on the electrical power to be transmitted between the first and second voltage terminals 18 and 32 the variable switching frequency f, z. B. in a range of 5 to 20 kHz, or to reduce this at increased power to be transmitted. The exact relationship between the power to be transmitted and the switching frequency f is given in the 3a illustrated diagram explained in detail.
Auch wenn die Funktionalität der Schaltung 10 anhand einer Spannungsanpassung zwischen einer Gleichspannung V18ab und V32ab, 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.Even if the functionality of the circuit 10 from a voltage adjustment between a DC voltage V 18ab and V 32ab , it is further noted that this method of increasing the transmittable power while reducing the switching frequency is also applicable to AC-to-DC conversion or DC to AC voltage conversion will be explained in more detail below.
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. 2 shows a circuit 40 with three connections, namely with the first voltage connection 18 , with the second voltage connection 32 and an AC voltage connection 24 , the three phase connections 24a . 24b and 24c having. Via a switching network 46 which is between the power converter circuit 42 and the first voltage connection 18 is arranged, the AC voltage connection 24 depending on the switching state to the converter circuit 42 be coupled.
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.In this embodiment, the power converter circuit 42 three half-bridges 42a . 42b and 42c , each comprising two switchable elements, and three chokes 44a . 44b and 44c on. The half bridges 42a . 42b and 42c are each realized by at least two switchable elements, namely by two first switchable elements 42a_1 and 42a_2 in the first half bridge 42a , by two second switchable elements 42b_1 and 42b_2 in the second half bridge 42b and two third switchable elements 42c_1 and 42c_2 in the third half bridge 42c , Between the switchable elements 42a_1 respectively. 42a_2 . 42b_1 respectively. 42b_2 and 42c_1 respectively. 42c_2 are each the middle node 45a . 45b and 45c provided over which the chokes 44a . 44b and 44c and thus the switching network 46 are coupled. The three half bridges 42a . 42b and 42c are about a first joint potential leadership 48a with the first pole 32a of the voltage connection 32 and a second joint potential leadership 48b with the second pole 32b of the second voltage connection 32 connected. The switching network 46 connects the three chokes 44a . 44b and 44c in a switchable manner with the AC voltage connection 24 or the first voltage connection 18 , In addition, a ground connection 47 provided the switching network 46 with the second common potential lead 48b the converter circuit 42 (B6 bridge circuit) via a node 45d couples.
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 V18ab an den ersten Spannungsanschluss 18 und einer zweiten Gleichspannung V32ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32.The switching network 46 serves the different connections, namely the AC voltage connection 24 , and the first and second voltage terminals 18 respectively. 32 to couple selectively. For the following discussion, it is assumed that the switching network 46 is in the so-called zeroth switching state, in which at least one of the three chokes 44a . 44b and 44c , but preferably all of the three restrictors 44a . 44b and 44c and with it all half-bridges 42a . 42b and 42c to the first pole 18a of the voltage connection 18 over the switching network 46 are connected while the pole 18b of the voltage connection 18 with the ground connection 47 over the switching network 46 is coupled. In this switching state, with suitable wiring of the converter circuit 42 a DC voltage adjustment between a first DC voltage V 18ab to the first voltage terminal 18 and a second DC voltage V 32ab at the second voltage terminal 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 V32ab, 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.As explained above, the control of the six switchable elements takes place 42a_1 respectively. 42a_2 . 42b_1 respectively. 42b_2 and 42c_1 respectively. 42c_2 the three half-bridges 42a . 42b and 42c periodically with a switching frequency, which depends on the electrical power to be transmitted between the voltage terminal 18 and the voltage connection 32 or between the AC voltage connection 24 and the voltage connection 32 is and vice versa. When reducing the switching frequency is a much stronger expression of the so-called current ripple (increase in the current ripple in the inductors), resulting in an increase in the transmittable power, but also to increased ripple of the output voltage, z. B. the DC voltage V 32ab leads. To counteract this effect, offers the converter circuit 42 according to a further embodiment, the possibility of the switching frequencies of the individual half-bridges 42a . 42b and 42c or the switchable elements 42a_1 respectively. 42a_2 . 42b_1 respectively. 42b_2 and 42c_1 respectively. 42c_2 to move against each other in their phase and to change the Aussteuergrad. Consequently, the half-bridges become 42a . 42b and 42c then driven one after the other, so that they transmit the electrical energy offset in time, which in total leads to the same energy transfer, but to a reduced residual ripple. The background to this is that due to the phase-shifted control of the three half-bridges 42a . 42b and 42c the one from each half bridge 42a . 42b and 42c output current ripple (here 3 current ripple, but at n half-bridges n current ripple) is arranged offset in time. As a result, the resulting current ripple is many times smaller than when driving the half bridges 42a . 42b and 42c without phase shift. This means that a phase shift (in the range of 0 ° to 360 °) of driving the half bridges reduces the resulting input current ripple. In the present example of three half-bridges 42a . 42b and 42c a 120 ° (360 ° / 3) out of phase control of the half-bridges takes place 42a . 42b and 42c , As a consequence, there is a much lower resulting current fluctuation width compared to a synchronous driving of the three half-bridges 42a . 42b and 42c , which offers the advantage that the switching frequency f, with which the individual switchable elements 42a_1 respectively. 42a_2 . 42b_1 respectively. 42b_2 and 42c_1 respectively. 42c_2 can be controlled so far can be reduced until the DC mains or DC bus connection conditions are just met.
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.The AC mains connection conditions play in particular in the dimensioning of the chokes 44a . 44b and 44c (eg in a range of 0.5 mH to 5.0 mH). The throttles 44a . 44b and 44c are typically taking into account the switchable elements or power semiconductors of the half-bridges 42a . 42b and 42c taking into account the intended switching frequency designed so that the grid connection conditions are met in the power supply or in the AC-DC voltage conversion. As a result, the throttles 44a . 44b and 44c dimensioned very large for the pure DC-DC voltage conversion, so that, as described above, especially in the DC-DC voltage Conversion the switching frequency to increase the transferable electrical power can be easily reduced.
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.The following are the other switching states via the switching network 46 can be adjusted, where in the representation of 2 exemplarily the two first switching states 50 (Conversion of three-phase AC voltage to DC) and 52 (Conversion of single-phase AC voltage in DC voltage and simultaneously from DC voltage to DC voltage) are shown.
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 V32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 bzw. an den Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c eine Wechselspannung V24a, V24b und V24c mit drei Phasen bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss 24 anliegenden Wechselspannung V24a, V24b und V24c mit drei Phasen an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V32ab zwischen dem ersten Pol 32a und dem zweiten Pol 32b bereitzustellen. In diesem ersten Schaltzustand 50 erfolgt die Umwandlung von Wechselspannung V24a, V24b und V24c mit den drei Phasen in Gleichspannung V32ab 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.The first switching state 50 is used for three-phase AC-DC voltage conversion and for three-phase DC voltage AC conversion. Here are the three chokes 44a . 44b and 44c over the switching network 46 with three different phase connections 24a . 24b and 24c of the AC voltage connection 24 coupled by suitable coupling of the bridge circuit 42 based on one at the second voltage terminal 32 applied DC voltage V 32ab at the AC voltage terminal 24 or at the phase connections 24a . 24b and 24c to provide an alternating voltage V 24a , V 24b and V 24c with three phases or based on one at the AC voltage terminal 24 applied AC voltage V 24a , V 24b and V 24c with three phases at the second voltage terminal 32 a DC voltage V 32ab between the first pole 32a and the second pole 32b provide. In this first switching state 50 the conversion of AC voltage V 24a , V 24b and V 24c takes place with the three phases in DC voltage V 32ab across the three reactors 44a . 44b and 44c by a suitable coupling of the three half-bridges 42a . 42b and 42c or by suitable switching of switching components in the half-bridges 42a . 42b and 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 V32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 – oder genauer an dem Phasenanschluss 24a – die einphasige Wechselspannung V24ab bereitzustellen oder basierend auf der an denn Phasenanschluss 24a anliegenden einphasigen Wechselspannung V24ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V32ab 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 V32ab auf Basis einer Wechselspannung V24ab als auch, alternativ, eine Bereitstellung einer Wechselspannung V24ab auf Basis einer Gleichspannung V32ab 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 V32ab an dem ersten Spannungsanschluss 18 zwischen den Polen 18a und 18b eine Gleichspannung V18ab bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Spannungsanschluss 18 anliegenden Gleichspannung V18ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V32ab 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.The circuit 40 is designed to be the switching network 46 in the second switching state 52 which is used for simultaneous DC-DC conversion and AC-to-DC conversion, and in which the first choke 44a over the switching network 46 with one of the phase connections, z. B. the phase connection 24a , the AC voltage connection 24 coupled to one based on the second voltage terminal 32 applied DC voltage V 32ab at the AC voltage terminal 24 - or more precisely at the phase connection 24a - To provide the single-phase AC voltage V 24ab or based on the on because phase connection 24a applied single-phase AC voltage V 24ab at the second voltage terminal 32 to provide a DC voltage V 32ab . The converter circuit 40 is designed to be the half bridges 42a . 42b and 42c to drive so that by interaction of the half bridges 42a and possibly 42b with the throttles 42a and possibly 42b a rectification or alternating direction is achieved, wherein also possibly at the same time a voltage increase or decrease in voltage can take place. In the second switching state 52 takes place in parallel to the AC-DC voltage conversion, which is understood to mean both a provision of a DC voltage V 32ab based on an AC voltage V 24ab and, alternatively, an AC voltage V 24ab based on a DC voltage V 32ab , a DC-DC voltage conversion : Here is another throttle, so one of the throttles 44a . 44b and 44c which in the first switching state between the bridge circuit 42 and the AC voltage connection 24 are switched, such as the throttle 44c , via the switching network 46 with the first voltage connection 18 - or more precisely with the first pole 18a of the voltage connection 18 Coupled to based on one at the second voltage terminal 32 between the poles 32a and 32b applied DC voltage V 32ab at the first voltage terminal 18 between the poles 18a and 18b to provide a DC voltage V 18ab or based on one at the first voltage terminal 18 applied DC voltage V 18ab at the second voltage terminal 32 to provide a DC voltage V 32ab . In this DC-DC voltage conversion of the pole 18a over the throttle 44c with the bridge circuit 42c at the center node 45c the bridge circuit 42c connected while the second pole 18b of the first voltage connection 18 for example, directly or by means of a switch on the ground connection 47 with the second common potential lead 48b the converter circuit 42 is connected and thus with the second pole 32b of the second voltage connection 32 , In this DC-DC voltage conversion or at the same time taking place AC to DC voltage conversion or DC-AC voltage conversion can also possibly a voltage adjustment (increase or reduction) are possible.
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 V32ab 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 V32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 eine einphasige Wechselspannung V24ab bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss 24 anliegenden einphasigen Wechselspannung V24ab an dem zweiten Spannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V32ab 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.The following are optional enhancements to the basic functionality of the circuit 40 described, which make it possible to achieve a significantly increased functionality with relatively little extra effort. The circuit 40 is further adapted to the switching network 46 in a third switching state, which serves to convert single-phase AC voltage into DC voltage V 32ab or vice versa. In the third switching state, in which one of the three chokes 44a . 44b or 44c over the switching network 46 with one of the phase connections 24a . 24b or 24c of the AC voltage connection 24 coupled, is the circuit 40 configured to be based on one at the second voltage terminal 32 applied DC voltage V 32ab at the AC voltage terminal 24 to provide a single-phase AC voltage V 24ab or based on one at the AC voltage terminal 24 applied single-phase AC voltage V 24ab at the second voltage terminal 32 to provide a DC voltage V 32ab . In other words, this third switching state sets an analog switching state to the second switching state 52 wherein no DC-DC voltage conversion between the second voltage terminal 32 and the first voltage connection 18 takes place.
Ferner kann die Schaltung 40 ausgebildet sein, um das Schaltnetzwerk 46 in einen vierten Schaltzustand zu versetzen, der dazu dient, um splitphasige Wechselspannungen V24ab und V24cb in Gleichspannung V32ab 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.Furthermore, the circuit 40 be trained to the switching network 46 in a fourth switching state, which serves to convert split-phase AC voltages V 24ab and V 24cb in DC voltage V 32ab or vice versa. The switching network 46 is formed in the fourth switching state to at least two of the three throttles, for. As the throttles 44a and 44c , with two different phase connections 24a and 24c to couple the AC voltage connection. This particular configuration between two alternating voltage phases offset by 180 ° is called a split phase. In this fourth switching state is the AC voltage connection 24 over the switching network 46 and over two throttles 44a and 44c to the bridge circuit 42 coupled.
Ferner wird angemerkt, dass die Schaltung 40 einen Nullleiter (nicht dargestellt) aufweisen kann, gegenüber welchem eine Wechselspannung, z. B. V24ab und V24cb, 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.It is further noted that the circuit 40 may have a neutral conductor (not shown), opposite which an alternating voltage, for. B. V 24ab and V 24cb , can be applied or tapped. This could z. B. at the midpoint of a series connection of two capacitors between 32a and 32b be connected. Alternatively, the neutral or return conductor depending on the switching state via the switching network 46 Also be connected directly to one of the throttles, so that a possible unbalanced load in z. B. split-phase island grid to be able to compensate.
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 PAC3, 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 fAC3+DC1, hin ausgelegt werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, dass die maximale Schaltfrequenz fAC3+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 PDC3, die im Vergleich zur übertragbaren Leistung PAC3 ca. um 30% höher ist, durch Reduzierung der Schaltfrequenz fDC3 (im Vergleich zu fAC3+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 fDC3 hierbei definiert sich auf Basis der Netzanschlussbedingungen aus der Beziehung zwischen dem maximal zulässigen Eingangsstromrippel ΔÎAC3+DC1 und der Schaltfrequenz fDC3 sowie der entsprechenden Anzahl der phasenverschoben angesteuerten n Halbbrücken. Das Minimum der Schaltfrequenz fDC3 liegt also an der Stelle, an der die Beziehung ΔÎDC3 = ΔÎAC3+DC1 = ΔÎDCn gilt. 3a shows a comparison between transferable power P and associated switching frequency f. The transferable power P increases with decreasing switching frequency f, as already explained above. Exemplary are two operating points 130 and 132 shown. The first operating point 130 refers to the three-phase AC to DC voltage conversion and the three-phase DC to AC voltage conversion, respectively, while the second operating point 132 refers to the DC-DC voltage conversion with the same circuit. The operating point 130 provides a maximum transferable power of P AC3 at which the grid connection conditions are met, allowing the components of the circuit (eg, the chokes) for that operating point 130 , So at the predetermined frequency f AC3 + DC1 , are designed towards. In other words, this means that the maximum switching frequency f AC3 + DC1 is determined by the inductance values, semiconductors and switching frequencies for compliance with the three-phase AC or DC grid connection conditions (in the case of DC modulators of the single-phase connection conditions without phase shifting). The operating point 132 symbolizes an increase in the transmittable power P DC3 , which is approximately 30% higher than the transmittable power P AC3 , by reducing the switching frequency f DC3 (compared to f AC3 + DC1 ). Such a reduction of the switching frequency f would typically lead to an increase in the resulting current fluctuation width, and in the DC-DC voltage conversion, as described above, this can be compensated for by driving the half bridges out of phase. The minimum switching frequency f DC3 hereby is defined on the basis of the grid connection conditions from the relationship between the maximum permissible input current ripple Δθ AC3 + DC1 and the switching frequency f DC3 and the corresponding number of phase-shifted n half-bridges. The minimum of the switching frequency f DC3 is therefore at the point at which the relationship ΔÎ DC3 = ΔÎ AC3 + DC1 = ΔÎ DCn applies.
3b zeigt ein qualitatives Diagramm des gemäß den Netzanschlussbedingungen maximal zulässigen Stromrippels bzw. Stromschwankungsbreite aufgetragen über den Aussteuergrad. Das Stromrippelmaximum ΔÎAC3+DC1 liegt beim Aussteuergrad 0,5 bei der festgelegten Schaltfrequenz fAC3+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 ΔÎDC3 mittels des oben erläuterten Prinzips der zeitlichen Verschiebung der Schaltfrequenz. Ferner sind in den Graphen 138a und 138b der resultierende maximale Stromrippel ΔÎAC2+DC2 für einen zweiphasigen Hochsetzsteller bzw. bei Verwendung von zwei der drei Halbbrücken einer B6-Brücke mit DC-Anschluss (18) und Phasenverschiebung dargestellt. 3b shows a qualitative diagram of the maximum permitted according to the grid connection conditions current ripple or current fluctuation width plotted on the Aussteuergrad. The current ripple maximum ΔÎ ± AC3 + DC1 is at the drive level 0.5 at the fixed switching frequency f AC3 + DC1 , as shown in the graph 134 is qualitatively shown for a single-phase boost converter or for a B6 bridge. The three graphs 136a . 136b and 136c for a three-phase step-up converter as compared to the graph 134 a significant reduction of the current ripple ΔÎ ± DC3 by means of the above-explained principle of the time shift of the switching frequency. Further, in the graphs 138a and 138b the resulting maximum current ripple Δβ AC2 + DC2 for a two-phase step-up converter or when using two of the three half-bridges of a B6 bridge with DC connection ( 18 ) and phase shift are shown.
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. 4 shows the circuit 40 , at the second voltage connection 32 (High-voltage DC bus) a DC-DC converter 70 and over this a high-voltage battery 30 or vehicle battery 30 connected. Further, the circuit 40 on the AC voltage connection 24 three-phase to an AC mains 26 and over the voltage connection 18 to a direct voltage network 20 connected.
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.Basically, the structure of the circuit 40 the in 2 shown construction, wherein the switching network 46 through three switches 62a . 62b and 62c for selective coupling of the AC voltage connection 24 to the power converter circuit 42 and by four switches 64a . 64b . 64c and 65 for selective coupling of the voltage connection 18 to the power converter circuit 42 is realized. Furthermore, the circuit works 46 a power switch 66a via which the AC voltage connection 24 is completely decoupled. The following is now the switching network 46 and in particular the switch combinations that form the individual switching states, explained in detail.
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.The desk 62a connects the throttle 44a with the power switch 66a and this (via the power switch 66a ) with the first phase connection 24a , the desk 62b connects the throttle 44b with the power switch 66a and this with the second phase connection 24b and the switch 62c , connects the throttle 44c with the power switch 66a and this with the third phase connection 24c , The switches 62a . 62b and 62c are designed to, depending on the respective switching state, either all of the three chokes 44a . 44b and 44c to the three phase connections 24a . 24b and 24c or a real subset of the three reactors, for example, the throttles 44a and 44c , to a true subset of the three phase connections, for example to the phase connections 24a and 24c to couple or all three chokes 44a . 44b and 44c from the AC voltage connection 24 decouple. The power switch 66a simultaneously couples all three phase connections 24a . 24b and 24c to the three switches 62a . 62b and 62c on or off the three switches 62a . 62b and 62c from. The throttles 44a . 44b and 44c are also switchable with the first pole 18a of the first voltage connection 18 connected so that the first choke 44a over the first switch 64a to the pole 18a can be coupled or so that the second throttle 44b over the second switch 64b to the pole 18a can be coupled or so that the third throttle 44c over the third switch 64c to the first pole 18a can be coupled. The switches 62a . 62b and 62c So are trained to all three chokes 44a . 44b and 44c or a true subset of the three chokes 44a . 44b and 44c to the first pole 18a of the first voltage connection 18 to couple or uncouple. In addition, the switching network includes 46 the other switch 65 for the ground connection 47 , with which the second joint potential leadership 48b the bridge circuit 42 over the node 45d to the second pole 18b of the first voltage connection 18 can be coupled.
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.For each of the phase connections 24a . 24b and 24c is optionally one capacity each 68a . 68b and 68c intended. The three capacities 68a . 68b and 68c or mains capacitors of a filter arrangement 68 are on a first page in a switchable manner by means of a switch 66b can be coupled to a neutral conductor. On a second side of the filter assembly 68 are each the capacitors 68a . 68b and 68c via the power switch 66a with the respective associated phase connection 24a . 24b and 24c connected or via the switch 62a . 62b and 62c with the throttles 44a . 44b and 44c , Furthermore, between the first and second potential guidance 48a and 48b a DC link capacity 72 , which may for example consist of two series-connected capacitors or a super-capacitance provided. Another capacity 74 for the first voltage connection 18 is between the first pole 18a and the second pole 18b of the voltage connection 18 provided, with the capacity 74 can also be realized as a super-capacity.
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 the following, the five switching states are based on the switching combinations in the switching network 46 explained. For each switching state, the closed switches are called while assuming that the non-mentioned switches in the switch network 46 not closed or opened.
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 the zeroth switching state, the DC voltage charge, such as the battery 30 , or is used for DC feedback or to provide a DC power supply, the switches 64a . 64b and 64c closed and so the first pole 18a of the first voltage connection 18 to the middle nodes 45a . 45b and 45c over the three chokes 44a . 44b and 44c coupled. In this zeroth switching state is the (optional) switch 65 closed and so the second pole 18b of the first voltage connection 18 to the second potential guide 48b coupled. By using all three chokes 44a . 44b and 44c in the zeroth switching state is a particularly powerful energy transfer between the battery 30 and the first voltage connection possible.
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.In the first switching state 50 to the three-phase charge, for example the battery 30 , or for three-phase regeneration are the chokes 44a . 44b and 44c over the closed switch 62a . 62b and 62c and the closed power switch 66a with the three-phase AC voltage connection 24 or the phase connections 24a . 24b and 24c coupled. In the second switching state 52 are the two switches 62a and 62b for coupling the throttles 44a and 44b to the phase connections 24a and 24b as well as the power switch 66a closed. Furthermore, the first pole 18a of the first voltage connection 18 on the closed switch 64c and the throttle 44c to the bridge circuit 42 coupled while the second pole 18b of the first voltage connection 18 over the switch 65 to the bridge circuit 42 or more precisely to the potential management 48b the bridge circuit 42 is coupled. In the third switching state are the switches 62a and 62b as well as the power switch 66a closed and the throttles 44a and 44b are thus with the phase connections 24a and 24b coupled, creating a single-phase charge, such as the battery 30 , is enabled. In this embodiment, the fourth switching state is for connection to a split-phase network for charging the battery 30 or to discharge the battery 30 or for feeding back or islanding. In the fourth switching state, the switches 62a . 62b and 62c as well as the power switch 66a closed. In this fourth switching state and a split-phase regenerative feedback is possible.
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 summary, it should be noted that this multifunctional power converter 40 allows that by means of the same power electronics 42 and throttling 44a . 44b . 44c all European network forms, as well as the North American typical split phase at the AC voltage connection 24 can be used for charging and recovery. In addition, at the voltage connection 18 a direct voltage network 20 , such as B. be coupled by a DC fast charging station, a generator, a supercap or an inductive energy transmission path. Since all components work bidirectionally, there is always a charge on the battery 30 as well as a return feed possible.
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.In all switching states is in this embodiment of the voltage connection 32 a DC voltage, so that, so to speak, a high-voltage DC bus is formed, in which the voltage level on the one hand of the energy flow direction (eg., From the AC mains 26 or DC mains 20 to the battery 30 , from the battery 30 to the AC mains 26 or the DC mains 20 or from the battery 30 to the DC-DC converter 71 the drive converter) and on the other hand from the battery voltage 30 , from the uncontrolled mains rectification voltage 26 and the output voltage of the DC network 20 self dependent. To level differences between the DC voltage network 20 and the voltage of the high-voltage battery 30 can compensate either the power converter circuit 42 alone or in combination with the DC-DC converter 70 be used. This DC-DC converter 70 in particular serves to increase the battery voltage of the battery 30 to adapt exactly when z. B. after an AC-DC voltage conversion by the power converter circuit 42 a DC voltage other than the battery voltage is provided in the high-voltage DC bus.
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.According to further embodiments, at the voltage connection 32 or the high-voltage DC bus also a DC-AC converter 71 connected, which serves to here an electric motor 73 to dock. This DC-AC converter 71 , the z. B. is designed for the same services as the DC-DC converter 70 , depending on the embodiment of the electric motor 73 be carried out single-phase or three-phase.
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. 5a shows a further embodiment of the circuit 40 in which the switchable elements 42a_1 . 42a_2 . 42b_1 . 42b_2 . 42c_1 and 42c_3 are each designed as a parallel transistor-diode combination. According to the embodiment of 4 is at the voltage connection 32 a DC-to-AC converter 70 connected, basically the same structure as the circuit 42 (B6 bridge arrangement) may have. Here, in each case the first and second potential guides of the two B6 bridge arrangements are coupled together, wherein between the first and second potential guidance a DC link capacitance 72 is provided. On the DC-DC converter 70 is in turn the high-voltage battery 30 connected, wherein the first pole via a node with the three inductors and thus with the center node of the three half-bridges of the DC-DC converter 70 is connected, and wherein the second pole with the second common potential guide (see. 48b ) connected is. Parallel to the high-voltage battery 30 can also have a capacity 81 be provided between the common node of the three reactors and the second common potential guide. The basic functionality corresponds to the embodiment 4 , The proposed transferable power of the converter circuit of the circuit 40 is typically many times smaller than the intended transferable power of the converter circuit of the DC-DC converter 71 , Furthermore, it is possible to use the in 5a shown topology also parallel and detached to use the powertrain. This would be the power dimensioning of the DC-DC converter 70 equal to the circuit 42 , Here, the same method would be used to match the performance as described above.
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. 5b illustrates the zeroth switching state by the DC mains 20 a power converter circuit 42 and thus over the DC-AC converter 70 to the high-voltage battery 30 is coupled. Here are the switches 62a . 62b and 62c open while the switches 64a . 64b and 64c as well as the switch 65 are closed. This zeroth switching state is used for fast charging operation of the high-voltage battery 30 , in which case the power converter circuit 42 as a three-phase step-up converter and the converter circuit of the DC-DC converter 70 acts as a three-phase buck converter.
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 ΔÎAC2+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.Referring to 5a is noted that when connecting a first pole of the DC mains 20 to the first throttle 44a and / or to the second throttle 44b and at the same time connecting the second pole of the DC voltage network 20 to the third throttle 44c an increase in performance can be achieved. Therefore, according to further embodiments, a DC voltage network to the AC voltage port 24 acting as the first voltage terminal to be connected so that at the first pole of the DC power network at least one throttle 44a over the switch 62a is coupled, while a second pole of the DC network to the third throttle 44c over the switch 62c is coupled. For further increase in performance could be the second throttle 44b over the switch 62b parallel to the first throttle 44a be connected to the first pole of the DC network. It is further noted that in this embodiment, only two of the three half-bridges 42a . 42b and 42c could be actively used for current smoothing by phase shift (see. 3b Δβ AC2 + DC2 ). Advantageously, the series-connected inductance of the return circuit has an effect, since the current is additionally smoothed. However, this results in a limitation of the maximum current.
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. 6 shows a possible application of the circuit described above 40 or the circuit 10 , Here is a quick charging station 140 shown a galvanic isolation 142 and an AC-DC voltage conversion 144 for the conversion of three-phase alternating voltage 26 in DC voltage. The fast charging station 140 has a DC bus 146 on, at the several vehicles 148a . 148b and 148c can be connected in parallel. Each of the vehicles 148a . 148b and 148c has a circuit 10 or 40 for vehicle-individual voltage adaptation and is via the first voltage connection 18 with the DC bus 146 connected.
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.The one about the galvanic isolation 142 separate AC-DC converters 144 provides on the basis of the three-phase alternating voltage network 26 a DC voltage on the DC bus 146 , z. B. 100 V or 600 V for all vehicles 148a . 148b and 148c to disposal. Even if the vehicles 148a . 148b and 148c different high-voltage batteries with different voltages installed, all three vehicles 148a . 148b and 148c be loaded simultaneously with maximum available power, as a vehicle-individual boosting or subsetting of the DC bus 146 provided DC voltage can be made to the vehicle battery voltage. This voltage adjustment is done by means of in the vehicles 148a . 148b and 148c built-in circuit 10 respectively. 40 carried out. This DC quick charging station 140 has the advantage over the conventional DC fast charging stations that a significant reduction in the number of components can take place (see. 6 and 7 ). Furthermore, this concept allows due to the different adaptation variants (voltage adjustment, change of the network shape, power adjustment by changing the switching frequency and synchronous and asynchronous phase shift of the half-bridges and chokes) by means of the circuit 10 respectively. 40 an individual and cost-efficient dimensioning of the respective vehicles 148a . 148b and 148c installed components without standardization (eg of charging stations) counteract.
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.According to a further embodiment, the DC bus 146 additionally or alternatively with energy from a DC source 150 , such as B. a photovoltaic system, are fed. For voltage adjustment is then between the DC bus 146 and the DC power source 150 a DC-DC converter 152 (DC / DC controller) provided. The DC quick charging station 140 can also act as a bidirectional central inverter and so by means of the DC voltage source 150 generated energy in the AC mains 26 (After changing direction with the AC-DC converter 144 ) feed back.
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. According to a further embodiment, the reference can take 2 Converter circuit shown as B6 arrangement 42 also a different number n of half bridges, z. B. six or twelve half bridges. In this case, the number of throttles (= n) and the switchable elements (= 2n) changes accordingly. According to a further embodiment, the reference can take 2 Converter circuit shown as B6 arrangement 42 also have an H4 arrangement with two half-bridges, in which case no three-phase AC voltage conversion can take place.
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.According to a further embodiment, the reference can take 2 the controller (not shown) together with the switching network 46 that activate and deactivate individual half bridges depending on the power to be transmitted. As a result, a gradual power adjustment is possible, whereby the losses by deliberately deactivating switchable elements 42a_1 respectively. 42a_2 . 42b_1 respectively. 42b_2 and 42c_1 respectively. 42c_2 can be further reduced.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 2011/0148353 A1 [0005] US 2011/0148353 A1 [0005]
