DE102014012028A1 - Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers mit beliebigen Betriebsspannungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden oder Entladen von elektrischen Energiespeichern mit einer beliebigen Betriebsspannung. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Leistungsstromrichter, einen Gleichspannungsanschluss sowie einen Anschluss für eine Wechsel- oder Gleichspannung aus einem Stromnetz oder zur Erzeugung eines potentialfreien Inselnetzes. Der Leistungsstromrichter besteht aus mindestens 2 Halbbrücken (9, 10) mit jeweils einem induktiven Energiespeicher (5, 6), mindestens einem Zwischenkreiskondensator (11), sowie mindestens einem Wechsel- oder Gleichspannungsanschluss (14) und einem Gleichspannungsanschluss (12), wobei mindestens eine Halbbrücke (9) mit dem Wechsel- oder Gleichspannungsnetz (14) verbunden ist und als Hochsetzsteller arbeitet, und mindestens eine Halbbrücke (10) über einen Umschalter (7) und einen Schalter (8) wahlweise der mindestens einen Hochsetzsteller-Brücke parallel- oder als Tiefsetzsteller nachgeschaltet werden kann. Dabei ist der Zwischenkreis-Kondensator (11) entweder direkt mit dem Energiespeicher (12) verbunden oder über den Schalter (8) und den Umschalter (7) durch die Tiefsetzsteller-Brücke (10) getrennt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers mit beliebigen Betriebsspannungen.
• Durch die Dezentralisierung der öffentlichen Energieversorgung sowie die zunehmende Anzahl an privaten Energiespeichern wie Pufferbatterien für Photovoltaik-Anlagen, Erdwärmesysteme, Blockheizkraftwerke, Wärmepumpen, Elektrofahrzeuge oder dergleichen ist ein immer vielfältigeres Angebot an elektrischen Energiespeichern verfügbar, welche beliebige Betriebsspannungen, je nach Ladezustand, Konfiguration, Anwendungsauslegung, Speichertyp und weiteren Kriterien besitzen können. Es ist dabei notwendig, diese Speicher gezielt und regelbar aufzuladen und/oder zu entladen. Hierfür ist eine Ladeelektronik notwendig.
• Zum Stand der Technik für solche Ladeelektroniken gehören:
• – Diverse Topologien, die durch eine aktive oder passive Gleichrichtung, mit oder ohne Leistungsfaktorkorrektur, eine Gleichspannung erzeugen, deren Effektivwert mindestens dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entspricht, aus dem diese erzeugt wird sowie
• – Optional nachgeschaltete Tief- oder Hochsetzsteller, mit oder ohne Potenzialtrennung zur Anpassung der Batteriespannung und zum Erzeugen eines geregelten Lade- oder Entladestroms
• – Weiterhin können solche Elektroniken sowohl uni- als auch bidirektional ausgeführt sein
• Als Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung wird im Folgenden immer der betragsmäßig größte anzunehmende, unter ungünstigen Betriebsbedingungen mögliche Wert angenommen. Dies kann beispielsweise die Amplitude einer sinusförmigen Wechselspannung mit dem größtmöglichen Effektivwert oder aber auch die maximal auftretende Gleichspannung in einem Gleichspannungsnetz sein, welche unter transienten Bedingungen auftreten, die auch von äußeren Einflüssen abhängig sein können.
• Alle Verfahren und Vorrichtungen ohne Potenzialtrennung haben gemein, dass ein Betrieb entweder nur für Energiespeicher mit Betriebsspannungen oberhalb der Amplitude der Eingangsspannung oder unterhalb diesen Wertes möglich ist. Durch die zum Einsatz kommenden Halbleiter-Elemente und deren topologiespezifischer schaltungstechnischer Anordnung darf die Ausgangsspannung eines Gleichrichters in keinem Betriebsfall betragsmäßig kleiner sein als die speisende Spannung, da ansonsten Dioden, die für den Freilaufpfad in der Sperrphase eines Halbleiterschalters notwendig sind, durch eine dann sich ergebende positive Anoden-Kathoden-Spannung in Flussrichtung gepolt werden und einen unkontrollierten Stromfluss zur Folge haben, solange die Spannung am Ausgang des Gleichrichters, die für eine Ladeelektronik durch den angeschlossenen aufzuladenden Energiespeicher vorgegeben wird, unterhalb des Momentanwerts der Eingangsspannung liegt. Im Falle eines öffentlichen Stromnetzes mit einer 230 V/50 Hz – Wechselspannung würde dies beispielsweise der Fall sein, sobald die Spannung des Energiespeichers unterhalb dem Amplitudenwert des Wechselspannungsnetzes, im Beispiel ca. 326 V, liegt.
• Für einen Betrieb sowohl ober- als auch unterhalb des Maximalwertes der Eingangsspannung sind bisher nur potenzialgetrennte Verfahren oder Verfahren ohne Potenzialtrennung, jedoch zwingend notwendiger und fest verschalteter Ausgangs-Tiefsetzer-Stufe mit einem Spannungs-Zwischenkreis bekannt.
• So beschreibt die WO 93/01650 ein Verfahren, in dem ein Wechselrichter in einem Elektrofahrzeug während der Standzeit als Bordladegerät verwendet wird, wobei zwei der drei Halbbrücken als Vierquadrantensteller arbeiten, der als netzfreundliche Einspeiseschaltung für den Zwischenkreiskondensator dient, und die dritte Halbbrücke als Tiefsetzsteller bzw. als Ladechopper für die Fahrbatterie arbeitet.
• Weiterhin ist ein Ladeverfahren bekannt, in dem zwei Halbbrücken parallel, jedoch in einem sogenannten Interleave-Modus als Hochsetzsteller arbeiten. Dabei werden die Schalter der beiden Halbbrücken jeweils gegenphasig geschaltet, um die durch die hochfrequenten Schaltvorgänge entstehende Rippelstrom-Belastung zu reduzieren und dadurch den Filteraufwand für eine netzfreundliche Charakteristik gering zu halten. Zusätzlich zu den beiden Halbbrücken ist ein vorgeschalteter Vollbrücken-Gleichrichter notwendig, um bereits eine gleichgerichtete, jedoch mit sehr hohem Wechselanteil überlagerte, Gleichspannung dem Hochsetzsteller zur Verfügung zu stellen.
• Des Weiteren kann der Vollbrücken-Gleichrichter am Eingang auch durch eine weitere, den beiden ersten Halbbrücken ausgangsseitig parallelgeschaltete, Halbbrücke ersetzt werden. In diesem Fall liegt prinzipiell ein Vierquadrantensteller vor.
• In den meisten Anwendungen (bei Anschluss an ein Wechselspannungsnetz) wird dabei ein Verfahren zur Leistungsfaktorkorrektur eingesetzt, wobei die Steuersignale der Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücken eine variable Pulsweite besitzen, mit der die Stromaufnahme aus dem Stromnetz annähernd einen Leistungsfaktor (sog. „cos Phi”) von 1 erreicht, womit nahezu nur Wirk- und keine Blindleistung dem Netz entnommen bzw. zugeführt wird, was von den Energieversorgungsunternehmen gefordert wird und gesetzlich festgelegt ist.
• Es ergibt sich bei den o. g. Vorrichtungen einmal der Nachteil, dass ein Auf- oder Entladen eines Energiespeichers im Falle einer nicht-potenzialgetrennten Topologie mit Tiefsetzsteller im Betrieb mit einer höheren Speicherspannung als der minimal notwendigen, dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entsprechenden Gleichspannung, mit erhöhten Verlusten durch einen Stromfluss durch den Tiefsetzsteller verbunden ist, der in diesem Betriebsfall nicht zwingend notwendig ist. Eine Folge daraus sind erhöhte Wärmeentwicklung, aufwändigere Kühlvorrichtung und ein niedrigerer Wirkungsgrad als eigentlich möglich bzw. notwendig.
• Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist im Falle des Betriebs mit einer niedrigeren Speicherspannung als der minimal notwendigen, dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entsprechenden Gleichspannung, der zwingend notwendige Einsatz eines dem Hochsetzsteller nachgeschalteten Tiefsetzstellers, um unkontrollierbaren Stromfluss in den Energiespeicher zu verhindern. Um mit diesem Verfahren auch gleichzeitig Energiespeicher mit einer Betriebsspannung, die höher als die minimal notwendige Gleichspannung, wie oben beschrieben, ist, zu laden oder zu entladen, ist es notwendig, den Wert der Zwischenkreisspannung höher als die aktuelle Betriebsspannung des Energiespeichers zu regeln, um durch die endlichen Schaltzeiten und dadurch sich ergebende Grenzen für die maximale Verstärkung der Übertragungsfunktion des Tiefsetzstellers, nach wie vor einen Stromfluss in bzw. aus dem Energiespeicher zu erwirken. Dabei ist es unter Umständen notwendig, Bauteile, vor allem Leistungshalbleiter und Kondensatoren, mit dem nächst höheren verfügbaren Wert der zulässigen Sperrspannung zu wählen, welche wiederum durch herstellbedingte höhere interne Parasitäten wie elektrischem Widerstand oder kapazitiver sowie induktiver Materialeigenschaften bei gleichem Stromfluss höhere Verluste erzeugen. Eine weitere Folge daraus sind die durch die dann notwendige höhere Zwischenkreisspannung notwendigen erhöhten Sicherheitsmaßnahmen wie größere Luft- und Kriechstrecken, welche ebenfalls zu einer Volumen- und damit Gewichtszunahme des zu entwickelnden Geräts führen können.
• Somit kann mit ein- und derselben Vorrichtung nicht gleichzeitig ein Energiespeicher mit einer höheren und einer niedrigeren als der minimal notwendigen Gleichspannung, wie oben beschrieben, ohne Potenzialtrennung mit annehmbaren Betriebsparametern hinsichtlich Wirkungsgrad, Kühlaufwand, Bauteilbelastungen und damit verbunden Kosten und Gewicht, regelbar ge- oder entladen werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 4 gelöst. Weitere günstige Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zum Laden oder Entladen von elektrischen Energiespeichern mit einer beliebigen Betriebsspannung. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Leistungsstromrichter, einen Gleichspannungsanschluss sowie einen Anschluss für eine Wechsel- oder Gleichspannung aus einem Stromnetz oder zur Erzeugung eines potentialfreien Inselnetzes.
• Der Leistungsstromrichter kann hierbei Energie von einem Stromnetz, das Wechselspannung oder auch Gleichspannung bereitstellt, durch eine interne Strom- oder Spannungsregelung kontrolliert in einen elektrischen Energiespeicher transferieren, als auch Energie aus dem Energiespeicher entnehmen und durch eine interne Strom- oder Spannungsregelung kontrolliert in ein Wechsel- oder Gleichspannungsnetz einspeisen oder eine Wechsel- oder Gleichspannung potentialfrei zur Verfügung stellen.
• Erfindungsgemäß enthält der Stromrichter mindestens 2 Halbbrücken, mindestens einen Zwischenkreiskondensator, mindestens 2 induktive Energiespeicher, einen Vollbrücken-Gleichrichter und zusätzlich oder anstatt dessen eine weitere Halbbrücke, einen dreipoligen Umschalter sowie einen weiteren Schalter. Eine Halbbrücke besteht hierbei aus zwei Halbleiterschaltern, welche steuerbar ein- und ausgeschaltet werden können, wobei ein Schalter als ein sogenannter High-Side Schalter mit dem Zwischenkreispotenzial und der andere Schalter als ein sogenannter Low-Side Schalter mit einem Massepotenzial verbunden ist, welches in der vorgeschlagenen Vorrichtung dem Massepotenzial der Zwischenkreisspannung entspricht. Eine schaltungstechnische Verbindung zwischen den beiden Schaltern der Halbbrücke wird im Folgenden als Halbbrücken-Mittelpunkt bezeichnet.
• An den Halbbrücken-Mittelpunkt der ersten beiden Halbbrücken wird je ein induktiver Energiespeicher in Form einer Leistungsinduktivität, die auch als Drossel bezeichnet wird, angeschlossen. Der andere Anschluss der Drossel wird bei der ersten Halbbrücke direkt mit der ersten Phase des Netzanschlusses verbunden. In diesem Fall ist eine dritte Halbbrücke notwendig, deren Mittelpunkt direkt mit dem Neutralleiter des Netzanschlusses verbunden wird, wobei hierdurch ein Vierquadrantensteller entsteht.
• Anstatt der dritten Halbbrücke kann auch ein Vollbrücken-Gleichrichter verwendet werden, der den ersten beiden Halbbrücken und deren verbundenen Induktivitäten vorausgeschaltet wird. In diesem Fall wird die Induktivität der ersten Halbbrücke an den positiven Ausgang des Eingangs-Gleichrichters geschaltet, sowie der negative Ausgang des Gleichrichters direkt mit dem Massepotenzial der Zwischenkreisspannung verbunden.
• Die Induktivität der zweiten Halbbrücke wird an den Ausgang eines dreipoligen Umschalters geschaltet.
• Der Umschalter besitzt zweckmäßig zwei Eingänge, zwischen denen umgeschaltet werden kann, und einen Ausgang, der immer nur mit einem der beiden Eingänge verbunden sein kann. Der Umschalter kann auch durch ein Relais mit mindestens 2 Eingängen und mindestens einem Ausgang realisiert sein. Weiterhin kann die Umschaltung auch durch mindestens 2 getrennte Schalter in Form von Relais oder dergleichen oder antiseriellen Halbleiterschaltern wie MOSFETs oder IGBTs oder dergleichen erfolgen, welche mit demselben Steuersignal angesprochen werden. Dem Verständnis halber wird aber im Folgenden immer nur von „Umschalter” und dessen obiger Definition gesprochen.
• Der erste Eingang des Umschalters wird schaltungstechnisch mit der Induktivität der ersten Halbbrücke bzw. der ersten Phase des Netzanschlusses bzw. dem positiven Ausgang des Eingangs-Vollbrücken-Gleichrichters verbunden, so dass die erste und zweite Halbbrücke in der Stellung Eingang 1 mit Ausgang verbunden” des Umschalters elektrisch parallel zueinander verschaltet sind. Der zweite Eingang des Umschalters ist schaltungstechnisch mit dem Gleichspannungsanschluss für einen Energiespeicher verbunden, sodass die zweite Halbbrücke in der Stellung „Eingang 2 mit Ausgang verbunden” des Umschalters über deren Induktivität direkt mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers verbunden ist.
• Der weitere Schalter wird in den positiven Zweig zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Gleichspannungsanschluss geschaltet. Der Schalter kann ebenfalls als Relais, antiserielle MOSFETs oder IGBTs oder dergleichen ausgeführt sein.
• Der dreipolige Umschalter und der weitere Schalter werden mit demselben Steuersignal oder auch zwei verschiedenen Steuersignalen angesprochen, wobei der Anschluss der Eingänge des Umschalters so gewählt werden muss, dass der Umschalter seinen Ausgang auf die erste Phase des Netzanschlusses bzw. der Induktivität der ersten Halbbrücke bzw. dem positiven Ausgang des Eingangs-Gleichrichters dann und nur dann schaltet, wenn der weitere Schalter gleichzeitig geschlossen wird. Mit einer logischen Invertierung des Steuersignals oder der Steuersignale wird dann der Umschalter in die andere Stellung geschaltet und gleichzeitig der weitere Schalter geöffnet.
• Damit wird erreicht, dass in Abhängigkeit des oder der Steuersignal(e) einmal die ersten beiden Halbbrücken elektrisch parallel geschaltet sind und beide als Hochsetzsteller arbeiten, wobei der Zwischenkreis in diesem Fall direkt mit dem Gleichspannungsanschluss bzw. dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, und in dem anderen Fall die zweite Halbbrücke der ersten nachgeschaltet ist und als Tiefsetzsteller arbeitet, wobei der Zwischenkreiskondensator in diesem Fall durch den weiteren Schalter von dem Energiespeicher getrennt ist.
• Die ersten beiden Halbbrücken müssen dabei genau dann elektrisch parallel zueinander geschaltet sein, wenn die Betriebsspannung des Energiespeichers über dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung liegt. Liegt sie jedoch unterhalb diesen Wertes, muss durch die oben beschriebene Umschaltung durch den dreipoligen Umschalter und Öffnung des weiteren Schalters die zweite Halbbrücke der ersten als Tiefsetzsteller nachgeschaltet werden.
• Die Parallelschaltung der beiden ersten Halbbrücken kann dabei dazu benutzt werden, um durch die oben beschriebene gegenphasige Ansteuerung, auch „interleaved Mode” genannt, eine Reduzierung der Rippelstrombelastung netzseitig zu erreichen und damit die leitungsgebundene Störaussendung wesentlich zu verringern oder aber bei gleichbleibender Störaussendung wesentlich kleinere Induktivitätswerte zu realisieren, was sich positiv hinsichtlich Bauraum- und Gewichtsbedarf auswirkt.
• Um jedoch auch einen zulässigen Betrieb hinsichtlich der Störaussendung im Falle des Betriebs mit niedrigerer als der minimal notwendigen, dem Amplitudenwert der Eingangsspannung entsprechenden Speicherspannung zu ermöglichen, muss der Induktivitätswert entsprechend hoch gewählt oder die Filtermaßnahmen entsprechend ausgeweitet werden. Als weitere Möglichkeit wird die Verwendung von sehr schnell schaltenden Bauelementen vorgeschlagen, wie Halbleiterschalter auf Siliziumkarbid-Basis (SiC), Galliumnitrid-Basis (GaN) oder ähnlicher, zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht verfügbarer Technologien, durch die eine wesentlich höhere Betriebsfrequenz möglich ist und damit ebenfalls wieder kleinere Induktivitätswerte gewählt werden können.
• Weiter vorgeschlagen wird die Minimierung der Zwischenkreiskapazität, um ein möglichst kompaktes, leichtes und von lebensdauerbegrenzenden Elektrolyt-Kondensatoren freies Design zu erreichen. Dabei wird vorgeschlagen, die Zwischenkreisspannung im Fall des Betriebs bei niedrigerer Energiespeicherspannung als der minimal notwendigen, dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entsprechend, nicht durch möglichst viel Kapazität konstant zu halten, sondern durch Wahl einer geringeren Kapazität bewusst einen bestimmten Wert des Wechselanteils im Bereich der doppelten Netzfrequenz zuzulassen, welchen der Tiefsetzsteller durch die hochfrequenten Schaltvorgänge und damit geringer Regelzeitkonstante zumindest teilweise ausregeln kann. Durch den Wechselanteil erhöht sich der Maximalwert der Zwischenkreisspannung, jedoch kann in diesem Fall sogar ein niedrigerer Vorgabewert für die Zwischenkreisspannung gewählt werden als im interleaved Mode sowieso durch den Energiespeicher vorhanden ist, da die Betriebsspannung des Energiespeichers in diesem Fall ebenfalls niedriger liegt. Der begrenzende Faktor ist hier im Wesentlichen die Spannungsfestigkeit aller Bauteile, die direkt an der Zwischenkreisspannung angeschlossen sind, wie zum Beispiel der Zwischenkreiskondensator oder die Leistungshalbleiter der Halbbrücken und gegebenenfalls eine daran angeschlossene Hilfsspannungsversorgung und weitere Verbraucher oder Messeinrichtungen. Im Vergleich zu der herkömmlichen, oben beschriebenen Schaltung, in der einem aktiven Gleichrichter ein Tiefsetzsteller nachgeschaltet wird, obwohl die Speicherspannung größer als die minimal notwendige, dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entsprechende Spannung ist, kann mit der vorgeschlagenen Vorrichtung immer ein niedrigerer Maximalwert für die Zwischenkreisspannung eingehalten werden, da der Tiefsetzsteller nur dann zugeschaltet wird, wenn die Speicherspannung kleiner als die Amplitude bzw. der Maximalwert der Eingangsspannung ist, und somit auch ein kleinerer Wert für die dann notwendige Zwischenkreisspannung ausreicht. Die prinzipielle Spannungsbeanspruchung des Zwischenkreiskondensators ist in 5 dargestellt. Dabei stehen die übertragbare Leistung (P_max), der maximal bzw. minimal notwendige Wert der Zwischenkreisspannung (U_11,max bzw. U_11,max) und der Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators (C₁₁) in folgendem Zusammenhang: P_max ~ C₁₁·(U² _11,max – U² _11,min)
• Dies bedeutet, dass mit steigender Zwischenkreiskapazität sowie steigendem Wert für die Zwischenkreisspannung auch die maximal übertragbare Leistung im Betrieb mit einer niedrigeren als der minimal notwendigen, dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entsprechenden Speicherspannung steigt.
• Die Erfindung wird anhand der 1 bis 5 im Folgenden näher erläutert.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für die vorgeschlagene Ladeelektronik
• 2 zeigt den prinzipiellen Leistungsfluss für den Fall einer höheren Energiespeicher-Spannung als der Scheitelspannung des Versorgungsnetzes
• 3 zeigt den prinzipiellen Leistungsfluss für den Fall einer niedrigeren Energiespeicher-Spannung als der Scheitelspannung des Versorgungsnetzes
• 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei diese Variante für bidirektionalen Energietransfer geeignet ist
• 5 zeigt die prinzipielle Spannungsform am Zwischenkreiskondensator im Betrieb als Tiefsetzsteller
• Nachfolgend sind gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeelektronik für einen elektrischen oder elektrochemischen Energiespeicher wie beispielsweise eine Traktionsbatterie oder einen Hochspannungs-Doppelschichtkondensator, auch als Ultracap oder Supercap bekannt. Die Ladeelektronik besteht aus zwei Leistungs-Halbbrücken (9, 10), einem Anschluss für ein Wechsel- oder Gleichspannungsnetz (14), einem Eingangs-Vollbrücken-Gleichrichter (13), jeweils einer Leistungsinduktivität für jede Halbbrücke (5, 6), einem Zwischenkreiskondensator (11) sowie einem Gleichspannungs-Anschluss für den Energiespeicher (12). Des Weiteren enthält die Elektronik einen steuerbaren dreipoligen Umschalter (7) und einen weiteren steuerbaren Schalter (8).
• Die erste Halbbrücke (9) ist über deren Leistungsinduktivität (5) schaltungstechnisch mit dem positiven Ausgang des Gleichrichters (13) verbunden. Das Massepotenzial der Halbbrücke (9) ist schaltungstechnisch direkt mit dem negativen Anschluss des Gleichrichters (13) sowie der zweiten Halbbrücke (10), und dem Massepotenzial von Zwischenkreiskondensator (11) sowie Energiespeicher (12) verbunden. Die zweite Halbbrücke (10) ist über deren Leistungsinduktivität (6) schaltungstechnisch mit dem Ausgang des Umschalters (7) verbunden.
• Der Umschalter (7) ist an seinem ersten Eingang schaltungstechnisch mit dem positiven Ausgang des Gleichrichters (13) bzw. der Leistungsinduktivität der ersten Halbbrücke (6) verbunden. Weiter ist der Umschalter (7) an seinem zweiten Eingang schaltungstechnisch mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers (12) verbunden. Der weitere Schalter (8) ist an seinem ersten Anschluss schaltungstechnisch mit dem positiven Anschluss des Zwischenkreiskondensators (11) und an seinem anderen Anschluss mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers (12) verbunden.
• Weiter sind die beiden Halbbrücken (9, 10) an deren verbleibenden Anschlüssen schaltungstechnisch an deren Masseanschluss miteinander und mit dem Massepotenzial des Zwischenkreiskondensators (11) bzw. des Energiespeichers (12) sowie am anderen Anschluss miteinander und mit dem positiven Anschluss des Zwischenkreiskondensators (11) und dem weiteren Schalter (8) verbunden.
• Der Vollbrücken-Gleichrichter (13) erzeugt in der betrachteten Ausführungsform aus einer Eingangs-Wechselspannung (14) eine Gleichspannung mit überlagertem Wechselanteil der doppelten Netzfrequenz.
• 2 zeigt die Leistungsflussrichtung, wenn die Energiespeicherspannung über dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung liegt. In diesem Betriebsmodus ergibt sich eine dem Stand der Technik entsprechende zweiphasige Hochsetzsteller-Schaltung, bei entsprechender gegenphasiger Artung der Ansteuersignale auch „interleaved PFC” genannt. Der Umschalter (7) ist so angesteuert, dass dessen Ausgang mit dem ersten Eingang verbunden ist, der wiederum mit dem positiven Anschluss des Vollbrücken-Gleichrichters (13) bzw. dem Anschluss der Leistungsinduktivität der ersten Halbbrücke (5) schaltungstechnisch verbunden ist. Der weitere Schalter (8) ist durch ein Steuersignal geschlossen. Wird jeweils der Low-Side-Schalter (2 bzw. 4) geschlossen während die High-Side-Schalter (1 bzw. 3) sperren, wird Strom in der Drossel (5 bzw. 6) aufgebaut, und nach einer bestimmten Zeit werden die Low-Side-Schalter (2 bzw. 4) geöffnet, der Strom kommutiert auf die Parallel-Dioden (nicht gezeichnet) der High-Side-Schalter (1 bzw. 3), welche erst dann geschlossen werden, wenn die Dioden den Strom vollständig übernommen haben und der Kommutierungsvorgang abgeschlossen ist. Dann liegt durch die sehr geringe Flussspannung der Dioden für die High-Side-Schalter (1 bzw. 3) eine sogenannte Null-Spannungs-Schaltbedingung vor, wodurch diese Schalter verlustarm eingeschaltet werden können. In der leitenden Phase der High-Side-Schalter (1 bzw. 3) wird dann der Strom in den Energiespeicher (12) geleitet und dieser aufgeladen.
• 3 zeigt die Leistungsflussrichtung, wenn die Energiespeicherspannung unter dem Amplitudenwert der Eingangsspannung liegt. In diesem Betriebsmodus ergibt sich eine dem Stand der Technik entsprechende Reihenschaltung aus einem Hochsetzsteller und einem Tiefsetzsteller mit Gleichspannungs-Zwischenkreis. Der Umschalter (7) ist so angesteuert, dass dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang verbunden ist, der wiederum mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers (12) schaltungstechnisch verbunden ist. Der weitere Schalter (8) ist durch das Steuersignal geöffnet. Dadurch wird erreicht, dass die erste Halbbrücke (9) als Hochsetzsteller den Zwischenkreiskondensator (11) auf einen regelbaren Spannungswert auflädt. Durch ein entsprechendes Ansteuerschema kann zudem der Leistungsfaktor wie im Betrieb als interleaved PFC hoch gehalten werden. Die zweite Halbbrücke (10) ist in dieser Konfiguration schaltungstechnisch in der Art und Weise mit dem Zwischenkreiskondensator (11) und dem Energiespeicher (12) verbunden, dass diese als Tiefsetzsteller arbeiten kann. Die prinzipielle Funktionsweise für die erste Halbbrücke (9) ist dieselbe wie in 2 beschrieben. Der zweite Halbbrücke (10) arbeitet durch ein regelbares Verhältnis der Leitend-Zeiten von High-Side-Schalter (3) und Low-Side-Schalter (4) als spannungs- oder stromgeregelter Tiefsetzsteller.
• 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung, wobei anstatt des Eingangs-Vollbrücken-Gleichrichters (13), wie in 1–3 gezeichnet, eine dritte Halbbrücke (17) vorhanden ist, die schaltungstechnisch an Ihrem Mittelpunkt mit dem Neutralleiter des Wechselspannungs- bzw. Masseleiter eines Gleichspannungs-Anschlusses (14) verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist dann die Leistungsinduktivität der ersten Halbbrücke (5) bzw. der erste Eingang des Umschalters (7) mit dem Phasenleiter des Wechselspannungs- bzw. positiven Leiter des Gleichspannungs-Anschlusses (14) schaltungstechnisch verbunden. Die dritte Halbbrücke (17) wird dabei so angesteuert, dass während eines positiven Werts der Eingangsspannung (14) immer der Lowside-Schalter (16), und während eines negativen Werts der Eingangsspannung (14) immer der Highside-Schalter (15) dauerhaft leitend ist und der jeweils andere dauerhaft sperrend. Durch diese Ausführungsform wird prinzipiell ein Vierquadrantsteller realisiert, welcher dem Stand der Technik entspricht. Der weitere Leistungsfluss durch die beiden ersten Halbbrücken (9, 10) ist erfindungsgemäß identisch zu dem in den 2 & 3 beschriebenen, jedoch wird nun während eines negativen Werts der Eingangs-Wechsel- oder Gleichspannung (14) nicht mehr der Highside-Schalter (1 bzw. 3), sondern der Lowside-Schalter (2 bzw. 4) zur Energieübertragung benutzt. In der in 4 betrachteten Ausführungsform ist zusätzlich durch die dritte aktive Halbbrücke (17) auch eine Umkehr der Leistungsflussrichtung möglich. Damit kann Energie aus dem Energiespeicher (12) beispielsweise zur Rückspeisung in ein Wechselspannungs- oder Gleichspannungsnetz (14) oder zur Erzeugung einer Inselnetzversorgung entnommen werden. Im Falle der Energie-Rückspeisung bzw. Inselnetz-Erzeugung arbeitet dabei die erste Halbbrücke (9) als Tiefsetzsteller, die zweite Halbbrücke (10) im Fall einer höheren Energiespeicherspannung als der Netzscheitel- bzw. Maximalspannung ebenfalls als Tiefsetzsteller, ansonsten als Hochsetzsteller auf den Spannungs-Zwischenkreis (11), wobei dann wiederum über den Umschalter (7) und den weiteren Schalter (8) die Trennung von Zwischenkreiskondensator (11) und Energiespeicher (12) sowie der Wechsel der Verbindung der Leistungsinduktivität der ersten Halbbrücke (5) vom Netzanschluss (14) zum positiven Anschluss des Energiespeichers (12) vollzogen wird.
• 5 zeigt die prinzipielle Spannungsform über dem Zwischenkreiskondensator (11) im Falle einer niedrigeren Energiespeicherspannung als der eingangsseitigen Amplitudenspannung. In diesem Betriebsfall ist der Zwischenkreiskondensator (11) durch den weiteren Schalter (8) vom Energiespeicher (12) abgetrennt und die zweite Halbbrücke (10) fungiert als Tiefsetzsteller im Ladebetrieb bzw. als Hochsetzsteller im Entladebetrieb. Durch eine eingangsseitige Wechselspannung (14) ergibt sich im Zwischenkreis ein dem geregelten Gleichspannungs-Sollwert überlagerter Wechselanteil im Bereich der doppelten Netzfrequenz, welcher in seiner Amplitude und Kurvenform abhängig sein kann von der Höhe der übertragenen Leistung, der Betriebsspannung des Energiespeichers (12) und dem Kapazitätswert des Zwischenkreiskondensators (11).
• Bezugszeichenliste

1

Highside-Schalter der ersten Leistungs-Halbbrücke

2

Lowside-Schalter der ersten Leistungs-Halbbrücke

3

Highside-Schalter der zweiten Leistungs-Halbbrücke

4

Lowside-Schalter der zweiten Leistungs-Halbbrücke

5

Leistungsinduktivität der ersten Leistungs-Halbbrücke

6

Leistungsinduktivität der zweiten Leistungs-Halbbrücke

7

Dreipoliger Umschalter

8

Weiterer Schalter

9

Erste Leistungs-Halbbrücke

10

Zweite Leistungs-Halbbrücke

11

Zwischenkreis-Kondensator

12

Energiespeicher

13

Vollbrücken-Gleichrichter

14

Versorgungsnetz

15

Highside-Schalter dritte Leistungs-Halbbrücke

16

Lowside-Schalter dritte Leistungs-Halbbrücke

17

Dritte Leistungs-Halbbrücke

• 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
• WO 93/01650 [0007]

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Laden oder Entladen eines elektrischen oder elektrochemischen Energiespeichers (12) aus einem Wechsel- oder Gleichspannungsnetz (14), wobei die Betriebsspannung des Energiespeichers beliebige Werte besitzen kann, während die Vorrichtung aus mindestens 2 aktiven Halbbrücken (9, 10), einer weiteren aktiven Halbbrücke (17) oder anstatt dessen oder zusätzlich eines Eingangs-Vollbrücken-Gleichrichters (13), mindestens einem Zwischenkreiskondensator (11) sowie einem Umschalter (7) und einem weiteren Schalter (8) besteht, wobei die beiden ersten Halbbrücken (9, 10) entweder in einem ersten Betriebsmodus parallel zueinander als Hochsetzsteller direkt auf den Energiespeicher (12) arbeiten, oder aber in einem zweiten Betriebsmodus als in Reihe geschalteter Hoch- und Tiefsetzsteller mit Gleichspannungs-Zwischenkreis, jeweils ohne Potenzialtrennung zwischen Wechselspannungsanschluss und Gleichspannungsanschluss, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen diesen beiden Betriebsmodi durch den Umschalter (7) und den weiteren Schalter (8) erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten Halbbrücken (9, 10) jeweils an deren Mittelpunkt an induktiven Energiespeichern (5, 6) angeschlossen sind, wobei diese so dimensioniert sein müssen, dass auch der im Tiefsetz-Modus notwendige Gleichstrom ohne Sättigungserscheinungen durch dieses induktive Element fließen kann und die notwendigen Filtermaßnahmen für die Netzanbindung (14) realisiert werden können.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Speicherelement (6) der zweiten Halbbrücke (10) über den Umschalter (7) entweder parallel zu der ersten Halbbrücke (9) an den Netzanschluss (14) oder direkt an den positiven Anschluss des Energiespeichers (12) geschaltet werden kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Schalter (8) eine Trennung der elektrischen Verbindung des Zwischenkreiskondensators (11) mit dem Gleichspannungsanschluss für den Energiespeicher (12) im positiven Zweig bewirken kann.
5. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi durch mindestens ein Steuersignal erfolgt, welches sowohl den Umschalter (7) als auch den weiteren Schalter (8) bedient.
6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi dynamisch erfolgen kann, d. h. in Abhängigkeit der aktuellen Eingangs- sowie Energiespeicherspannung und optional mit einer Hysteresebreite zur Vermeidung eines ständigen unerwünschten Umschaltens zwischen den beiden Betriebsmodi im Grenzbereich des Wertes der Energiespeicher-Spannung, welcher dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entspricht.
7. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (11) so klein dimensioniert werden kann, dass im Betriebsmodus mit niedrigerer als der minimal notwendigen, dem Amplituden- bzw. Maximalwert der Eingangsspannung entsprechenden Speicherspannung, aufgrund des Wechselspannungsanteils der gleichgerichteten Eingangsspannung die maximal zulässigen Werte für Bauteilgrenzen oder dergleichen nicht überschritten werden, wobei der Wechselspannungsanteil eine Periodizität im Bereich der doppelten Netzfrequenz hat, jedoch innerhalb einer Periode je nach Betriebszustand unterschiedliche Kurvenformen besitzen kann.
8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein möglichst hoher Leistungsfaktor durch eine schnelle Stromregelung erreicht wird, die die aktuelle Spannungsform des Netzanschlusses (14) für die Sollwertvorgabe benutzt.
9. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass eine Regelung des Netzstroms zur Leistungsfaktorkorrektur, sowie zusätzlich der Zwischenkreisspannung und des Speicherstroms im zweiten Betriebsmodus, wie in Anspruch 1 definiert, erfolgt.
10. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Steuerung und Regelung durch analoge Schaltungstechnik oder auch durch ein speicherprogrammierbares logisches Bauelement oder einen Prozessor wie z. B. Mikrocontroller, DSP, FPGA oder CPLD erfolgt.

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