DE102014203157A1

DE102014203157A1 - Bipolares Hochspannungsnetz und Verfahren zum Betreiben eines bipolaren Hochspannungsnetzes

Info

Publication number: DE102014203157A1
Application number: DE102014203157.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Kaiser; Hauke-Peer Lüdders; Jörg Wangemann
Original assignee: Airbus Operations GmbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-27
Also published as: US10063142B2; US20180219479A1; US10560019B2; US20150244259A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bipolares Hochspannungsnetz für ein Luft- oder Raumfahrzeug, mit einem Gleichspannungswandler, welcher zwei unipolare Eingangsanschlüsse und zwei bipolare Ausgangsanschlüsse sowie einen Referenzpotentialanschluss aufweist, und mindestens einem unipolaren Gerät mit zwei elektrischen Anschlüssen, welche jeweils mit einem der zwei unipolaren Eingangsanschlüssen gekoppelt sind. Der Gleichspannungswandler weist ein erstes Gleichspannungswandlermodul, welches über einen Moduleingangsanschluss mit einem ersten der unipolaren Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers, über einen Modulreferenzpotentialanschluss mit dem Referenzpotentialanschluss des Gleichspannungswandlers, und über einen Modulausgangsanschluss mit einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist, und ein zweites Gleichspannungswandlermodul auf, welches über einen Moduleingangsanschluss mit einem zweiten der unipolaren Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers, über einen Modulreferenzpotentialanschluss mit dem Referenzpotentialanschluss des Gleichspannungswandlers, und über einen Modulausgangsanschluss mit einem zweiten der bipolaren Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem bipolaren Hochspannungsnetz und einem Verfahren zum Betreiben eines bipolaren Hochspannungsnetzes, insbesondere zur Verteilung von elektrischer Leistung in einem Luft- oder Raumfahrzeug.
In Flugzeugen werden häufig bipolare Hochvoltspannungen benötigt, beispielsweise ±270 V bipolare Gleichspannung. Zur Bereitstellung derartiger Spannungen werden üblicherweise Generatoren und entsprechende Gleichrichter verwendet.
Die Druckschrift EP 2 624 433 A1 offenbart zwei nicht-isolierende und parallel geschaltete Gleichspannungswandlereinheiten mit von einem Neutralpunkt der Gleichspannungswandlereinheiten galvanisch getrennten Neutralpunkt eines den Gleichspannungswandlereinheiten nachgeschalteten Wechselspannungsfilters für die Einspeisung von durch Photovoltaikzellen generierter Gleichspannung in ein Wechselspannungsnetz.
Die Druckschrift US 2009/0085537 A1 offenbart einen nicht-isolierenden Hochsetzsteller für Gleichspannungen, bei dem eine unipolare Eingangsgleichspannung durch zwei gekoppelte Hochsetzstellereinheiten in eine bipolare Ausgangsgleichspannung umgesetzt wird.
Die Druckschrift A. Lücken, H. Lüdders, T. Kut, S. Dickmann, F. Thielecke, D. Schulz: „Analyse einer neuartigen elektrischen Konverterarchitektur zur Integration von Brennstoffzellen auf Gesamtsystemebene", Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2012, Berlin, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt-Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2012 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit zwei in serieller Verschaltung angeordneten Brennstoffzellenstacks, die positive und negative Ausgangsspannungen für jeweils ein Gleichspannungswandlermodul zur Erzeugung positiver und negativer HVDC Spannungen für ein bipolares Gleichspannungsnetz in einem Flugzeug liefern.
Die Druckschrift M. Frisch, T. Ernö: "Symmetrical Boost Concept for Solar Applications up to 1000V", Vincotech GmbH, 2009 offenbart einen transformatorlosen Gleichspannungswandler für Solarzellen zur Erzeugung mehrphasiger Wechselspannungen.
Es besteht jedoch ein Bedarf nach Lösungen für Hochspannungsnetze in Flugzeugen, welche zuverlässig und hoch verfügbar sind, gleichzeitig aber ein geringes Systemgewicht aufweisen und mit Anschlussgeräten verschiedener Spannungsaufnahme betrieben werden können.
Daher wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein bipolares Hochspannungsnetz für ein Luft- oder Raumfahrzeug bereitgestellt, mit einem Gleichspannungswandler, welcher zwei unipolare Eingangsanschlüsse und zwei bipolare Ausgangsanschlüsse sowie einen Referenzpotentialanschluss aufweist, und mindestens einem unipolaren Gerät mit zwei elektrischen Anschlüssen, welche jeweils mit einem der zwei unipolaren Eingangsanschlüssen gekoppelt sind. Der Gleichspannungswandler weist ein erstes Gleichspannungswandlermodul, welches über einen Moduleingangsanschluss mit einem ersten der unipolaren Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers, über einen Modulreferenzpotentialanschluss mit dem Referenzpotentialanschluss des Gleichspannungswandlers, und über einen Modulausgangsanschluss mit einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist, und ein zweites Gleichspannungswandlermodul auf, welches über einen Moduleingangsanschluss mit einem zweiten der unipolaren Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers, über einen Modulreferenzpotentialanschluss mit dem Referenzpotentialanschluss des Gleichspannungswandlers, und über einen Modulausgangsanschluss mit einem zweiten der bipolaren Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist.
Weiterhin wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen bipolaren Hochspannungsnetzen gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt.
Gemäß einem dritten Aspekt schafft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Hochspannungsnetzes, mit den Schritten des Betreibens des Gleichspannungswandlers zur Ausgabe einer bipolaren Spannung zwischen den bipolaren Ausgangsanschlüsse und dem Referenzpotentialanschluss des Gleichspannungswandlers, des Detektierens, ob ein Kurzschluss zwischen einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse und dem Referenzpotentialanschluss und/oder ein hochohmiger Fehler an einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse vorliegt, und des Betreibens des Gleichspannungswandlers zur Ausgabe einer unipolaren Spannung zwischen dem zweiten der bipolaren Ausgangsanschlüsse und dem Referenzpotentialanschluss des Gleichspannungswandlers, falls ein Kurzschluss und/oder ein hochohmiger Fehler detektiert worden ist. Das Verfahren bietet den Vorteil, dass in vielen Fehlersituationen das bipolare Hochspannungsnetz in einem Betriebsmodus mit eingeschränkten Betriebsbedingungen („degraded mode of operation“) weiter betrieben werden, zumindest um einen temporär Notfallbetriebsmodus aufrechterhalten zu können.
Darüber hinaus ist der Gleichspannungswandler mit dem Verfahren in der Lage, einen Kurzschlussstrom, zumindest bis zu seiner Strombelastungsgrenze, zu treiben. Teilnetze des Hochspannungsnetzes, die über Sicherungen mit Überstromabschaltung abgesichert sind, können durch das verfahrensmäßige Vorgehen bei einem Kurzschluss zum Auslösen gebracht werden. Bei einem Kurzschluss zwischen einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse und dem Referenzpotentialanschluss fällt die Ausgangsspannung an diesem bipolaren Ausgangsanschluss und der Ausgabestrom übersteigt eine vorgegebene Reglerschwelle. Wenn der Kurzschluss durch Komponenten in diesem Teilnetz verursacht worden ist, kann das Teilnetz isoliert werden und der Rest des Hochspannungsnetzes anschließend normal weiter betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungsnetzes können die Gleichspannungswandlermodule jeweils nicht-isolierende Gleichspannungswandler umfassen. Durch die Ausführung als nicht-isolierende Gleichspannungswandler kann vorteilhafterweise Systemgewicht eingespart werden, da schwere Komponenten wie Transformatoren oder zusätzliche Speicherdrosseln eingespart werden können.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hochspannungsnetzes können die Gleichspannungswandlermodule dabei jeweils Abwärtswandler, Aufwärtswandler, Inverswandler, kaskadierte Abwärts-/Aufwärtswandler, kaskadierte Zweipunkt-Abwärts-/Aufwärtswandler, ungesteuerte oder gesteuerte Zweipunkt-NPC-Wandler oder Split-Pi-Wandler umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungsnetzes kann das Hochspannungsnetz weiterhin einen unipolaren Aufwärtswandler, welcher zwischen die unipolaren Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers und die Moduleingangsanschlüsse der Gleichspannungswandlermodule gekoppelt ist, umfassen. Dabei können die Gleichspannungswandlermodule jeweils Abwärtswandler umfassen, die dabei insbesondere durch einen ungesteuerten oder gesteuerten Zweipunkt-NPC-Wandler gebildet werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungsnetzes kann das Hochspannungsnetz weiterhin einen gesteuerten Dreipunkt-NPC-Stromrichter, welcher eingangsseitig mit den zwei bipolaren Ausgangsanschlüssen sowie dem Referenzpotentialanschluss des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist, und welcher ausgangsseitig drei Wechselspannungsphasenanschlüsse aufweist, und eine LC-Filterstufe aufweisen, welche mit den drei Wechselspannungsphasenanschlüssen des gesteuerten Dreipunkt-NPC-Stromrichters gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungsnetzes kann das Hochspannungsnetz weiterhin einen ersten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die unipolaren Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist, und einem zweiten Gleichspannungszwischenkreis aufweisen, welcher zwischen die bipolaren Ausgangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden genauer im Zusammenhang und in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen wie in den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die beigefügten Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und illustrieren beispielhafte Ausführungsvarianten der Erfindung. Sie dienen zur Erläuterung von Prinzipien, Vorteilen, technischen Effekten und Variationsmöglichkeiten. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Erfindung ebenso denkbar, insbesondere mit Blick auf die im Folgenden dargestellte ausführliche Beschreibung der Erfindung. Die Elemente in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt und aus Gründen der Übersichtlichkeit teils vereinfacht oder schematisiert dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichartige Komponenten oder Elemente.
1 zeigt eine schematische Illustration eines bipolaren Hochspannungsnetzes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Illustration eines Gleichspannungswandlermoduls für ein Hochspannungsnetz nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Illustration eines Gleichspannungswandlermoduls für ein Hochspannungsnetz nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine schematische Illustration eines Gleichspannungswandlermoduls für ein Hochspannungsnetz nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine schematische Illustration eines Gleichspannungswandlermoduls für ein Hochspannungsnetz nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine schematische Illustration eines Gleichspannungswandlermoduls für ein Hochspannungsnetz nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt eine schematische Illustration eines Gleichspannungswandlermoduls für ein Hochspannungsnetz nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt eine schematische Illustration eines Gleichspannungswandlermoduls für ein Hochspannungsnetz nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt eine schematische Illustration eines bipolaren Hochspannungsnetzes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt eine schematische Illustration eines bipolaren Hochspannungsnetzes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt eine schematische Illustration eines bipolaren Hochspannungsnetzes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
12 zeigt eine schematische Illustration eines Verfahrens zum Betreiben eines bipolaren Hochspannungsnetzes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
13 zeigt eine schematische Illustration eines Flugzeugs mit einem bipolaren Hochspannungsnetz gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Obwohl hierin spezielle Ausführungsformen beschrieben und dargestellt sind, ist es für einen Fachmann klar, dass eine Fülle weiterer, alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen für die Ausführungsformen gewählt werden können, ohne im Wesentlichen vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen sollen alle Variationen, Modifikationen und Abwandlungen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ebenfalls von der Erfindung als abgedeckt gelten.
Unipolare Geräte im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen alle Lasten, Leistungsabnehmer, elektrische Energiespeicher, Energiequellen oder Teilnetze, welche elektrische Gleichspannung zwischen zwei Anschlüssen abgeben und/oder aufnehmen können. Insbesondere können unipolare Geräte im Sinne der Erfindung Brennstoffzellen, Photovoltaikzellen, Kondensatoren, Akkumulatoren, Gleichstrommaschinen und sonstige elektrische Lasten oder Energiequellen umfassen.
Bipolare Geräte im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen alle Lasten, Leistungsabnehmer, elektrische Energiespeicher, Energiequellen oder Teilnetze, welche drei elektrische Anschlüsse aufweisen und zwei verschiedene, insbesondere entgegengesetzt gepolte elektrische Gleichspannungen zwischen jeweils zwei der Anschlüsse abgeben und/oder aufnehmen können. Bipolare Hochspannungsnetze im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen dabei entsprechende elektrische Netzwerke, welche mit bipolarer Hochspannung betrieben werden, das heißt bipolare Spannung aufnehmen bzw. abgeben können.
Elektrische Maschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Drehfeldmaschinen wie Synchron- oder Asynchronmaschinen, Reluktanzmaschinen, Spaltpolmaschinen, Gleichstrommaschinen, Repulsionsmaschinen oder andere Maschinentypen umfassen.
1 zeigt eine schematische Illustration eines bipolaren Hochspannungsnetzes 10. Das bipolare Hochspannungsnetz 10 weist einen Gleichspannungswandler 1 auf, der an zwei Eingangsanschlüssen 1a und 1b mit einer unipolaren Eingangsspannung gespeist wird und in eine bipolare Ausgangsspannung an den drei Ausgangsanschlüssen 2a, 2b und 2c wandelt. Die Ausgangsanschlüsse 2a und 2c sind jeweils Gleichspannungsausgangsanschlüsse 2a und 2c, welche jeweils mit Abgriffsklemmen 4a und 4c gekoppelt sind. Der Ausgangsanschluss 2b ist ein Referenzpotentialanschluss 2b, welcher mit einem Masse- bzw. Referenzpotential 3 gekoppelt ist und an einer Referenzpotentialklemme 4b abgegriffen werden kann. Die Klemmen 4a, 4b und 4c können dabei mit einem (nicht explizit gezeigten) bipolaren Netz gekoppelt sein, beispielsweise mit einem bipolaren Hochvoltnetz eines Luft- oder Raumfahrzeugs. Beim Einsatz des bipolaren Hochspannungsnetzes 10 in einem Flugzeug kann an den Abgriffsklemmen 4a und 4c eine in Bezug auf den Referenzpotentialanschluss 2b bipolare Hochvoltgleichspannung abgegriffen werden, beispielsweise ±270 V. Das Referenzpotential 3 des Referenzpotentialanschluss 2b kann durch entsprechende Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 1 festgelegt werden und muss nicht notwendigerweise in der Mitte zwischen den beiden Potentialen an den Ausgangsanschlüssen 2a und 2c liegen. Beispielsweise kann auch eine asymmetrische bipolare Hochvoltspannung an den Abgriffsklemmen 4a und 4c in Bezug auf den Referenzpotentialanschluss 2b bereitgestellt werden, das heißt die Beträge der beiden durch das bipolare Hochspannungsnetz 10 generierten bipolaren Spannungsanteile können unterschiedlich sein.
Der Gleichspannungswandler 1 weist dabei zwei ansteuergetrennte Gleichspannungswandlermodule 5 auf. Die Gleichspannungswandlermodule 5 sind jeweils über einen Moduleingangsanschluss 5a mit einem der unipolaren Eingangsanschlüsse 1a bzw. 1b, über einen Modulreferenzpotentialanschluss 6 mit dem Referenzpotentialanschluss 2b, und über einen Modulausgangsanschluss 5b mit einem der bipolaren Ausgangsanschlüsse 2a bzw. 2c des Gleichspannungswandlers 1 gekoppelt. Wenn ein (oder mehrere) unipolare Geräte 8 mit ihren elektrischen Anschlüssen mit einem der zwei unipolaren Eingangsanschlüssen 1a bzw. 1b gekoppelt werden, können die Gleichspannungswandlermodule 5 aus den einfachen Eingangspotentialen jeweils einen Zweig der bipolaren Spannungsversorgung an den Modulausgangsanschlüssen 5b gegenüber dem Referenzpotential 3 an dem Modulreferenzpotentialanschluss 6 erzeugen.
Das unipolare Gerät 8 kann dabei reine Gleichspannungsquellen wie beispielsweise Brennstoffzellen, reine Gleichspannungslasten wie beispielsweise technische Lasten eines Flugzeugs oder bidirektional betreibbare Gleichspannungsgeräte wie beispielsweise Motoren/Generatoren oder elektrisch wiederaufladbare Energiespeichergeräte wie Akkumulatoren oder Supercaps umfassen.
Je nach Art des unipolaren Geräts 8 kann der Gleichspannungswandler 1 dabei auch bidirektional betrieben werden, d.h. die Ausgangsanschlüsse 2a und 2c können auch als Eingangsanschlüsse für die Konvertierung einer bipolaren Eingangsspannung in eine unipolare Ausgangsspannung an den als unipolaren Ausgangsanschlüssen fungierenden Eingangsanschlüssen 1a und 1b fungieren.
Das erste (obere) Gleichspannungswandlermodul 5 kann dazu ausgelegt sein, eine erste Hochvoltgleichspannung zwischen dem Modulausgangsanschluss 5b und dem Modulreferenzpotentialanschluss 6 bereitzustellen. Analog dazu kann das zweite (untere) Gleichspannungswandlermodul 5 dazu ausgelegt sein, eine zweite Hochvoltgleichspannung zwischen dem zugeordneten Modulausgangsanschluss 5b und dem Modulreferenzpotentialanschluss 6 bereitzustellen. Die erste und zweite Hochvoltgleichspannung können dabei gegenüber dem Referenzpotential 3 unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, und insbesondere betragsmäßig gleich sein, beispielsweise +/–270 V oder +/–135 V. Es kann selbstverständlich auch möglich sein, die beiden Gleichspannungswandlermodule 5 zur Ausgabe betragsmäßig unterschiedlicher Hochvoltgleichspannungen anzusteuern.
Durch die Auslegung in 1 ist eine implizite Redundanz des Hochspannungsnetzes 10 gegenüber hohen Impedanzen („open circuit state“) an einem der Ausgangsanschlüsse 2a bzw. 2c oder Kurzschlüssen zwischen Masse und einem der Ausgangsanschlüsse 2a bzw. 2c gewährleistet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise den Betrieb des Hochspannungsnetzes 10 in eingeschränktem Betriebsmodus („degraded operation“), so dass zusätzliche Sicherungsmaßnahmen nur in begrenztem Umfang vorgenommen werden müssten. Insbesondere können Maßnahmen im Backend des Hochspannungsnetzes 10, wie zum Beispiel bedingte Schaltelemente oder Dioden unter entsprechender Vereinfachung der Implementierung und Reduzierung der Kosten vermieden werden. Im Falle eines Lastbetriebs der Gleichspannungswandlermodule 5 müssen die angeschlossenen Lasten und Energiequellen dann selbstverständlich bei halber Betriebsspannung betreibbar sein, das heißt, bei einer Betriebsspannung, die der Hälfte der Betriebsspannung im Normalbetrieb beträgt.
Eingangsseitige und ausgangsseitige Zwischenkreise mit Zwischenkreiskondensatoren 7a bzw. 7b dienen jeweils der Pufferung von Spannungsspitzen und der Unterdrückung von Gleichtaktschwankungen.
In den 2 bis 8 sind beispielhafte Ausführungsvarianten derartiger Gleichspannungswandlermodule 5 schematisch illustriert. Die Gleichspannungswandlermodule 5 der 2 bis 8 können dabei in einem Gleichspannungswandler, wie beispielsweise dem Gleichspannungswandler 1 in 1 eingesetzt werden. Vorteilhafterweise können jeweils zwei gleichartige Wandertopologien parallel zueinander implementiert werden. Gemeinsam ist allen Wandlertopologien, dass sie jeweils nicht-isolierende Gleichspannungswandler umfassen. Nicht-isolierende Gleichspannungswandler haben ein geringes Systemgewicht, da auf komplexe und schwere Transformatoren weitgehend verzichtet werden kann.
In 3 werden die Gleichspannungswandlermodule 5 als bidirektionale Abwärtswandler 20 mit Ladekondensatoren 11 und 12, Wandlerschaltern 13 und 14 sowie einer Speicherdrossel 15 ausgestaltet. In 4 werden die Gleichspannungswandlermodule 5 als bidirektionale Aufwärtswandler 30 mit Ladekondensatoren 11 und 12, Wandlerschaltern 16 und 17 sowie einer Speicherdrossel 15 ausgestaltet. Diese Wandlertypen sind besonders vorteilhaft für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bei denen das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung nach bei Eins liegt.
Wie in 5 gezeigt können die Gleichspannungswandlermodule 5 als bidirektionale Inverswandler 40 mit Ladekondensatoren 11 und 12, Wandlerschaltern 13 und 16 sowie einer Speicherdrossel 15 implementiert werden. Diese Topologie kann sowohl Hoch- als auch Tiefsetzstellerbetrieb in beiden Wandlerrichtungen gewährleisten, und bietet die geringste Anzahl an aktiven Bauelementen.
6 zeigt Gleichspannungswandlermodule 5 jeweils als kaskadierte Abwärts-/Aufwärtswandler 50 mit Ladekondensatoren 11 und 12, Wandlerschaltern 13, 14, 16 und 17 sowie einer Speicherdrossel 15. Kaskadierte Abwärts-/Aufwärtswandler 50 können leistungseffizient arbeiten, wenn das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung nach bei Eins liegt.
In 7 sind die Gleichspannungswandlermodule 5 jeweils als kaskadierte Zweipunkt-Abwärts-/Aufwärtswandler 60 dargestellt, welche Ladekondensatoren 11 und 12, Wandlerschalter 13, 13a, 14, 14a, 16, 16a, 17 und 17a sowie eine Speicherdrossel 15 umfassen. Zwischen jeweils aus zwei Wandlerschaltern gebildeten Halbbrücken sind sogenannte fliegende Kapazitäten 18a und 18b („flying capacitors“) geschaltet. Solche kaskadierte Zweipunkt-Abwärts-/Aufwärtswandler 60, häufig auch als ”Flying Capacitor Multilevel Converter/Inverter” (FMCI) bezeichnet, werden an ihren äußeren Anschlüssen der Halbbrücken mit einer Brückenspannung beaufschlagt, so dass der Mittelanschluss zum Abgriff der Ausgangsspannung dient. Die ”fliegenden Kapazitäten” weisen dabei ein sich gegenüber einem Eingangsanschluss der Halbbrücken ständig verschiebendes Potential auf.
Die Gleichspannungswandlermodule 5 können gemäß 7 jeweils ungesteuerte oder gesteuerte Zweipunkt-NPC-Wandler 70 umfassen. Dazu können Nulldioden 19 („neutral point clamped diodes“, NPC-Dioden) jeweils im Mittelpunktsabgriff zwischen mehrstufigen Brückenzweigen aus Wandlerschaltern 14a, 14b, 14c, 14d bzw. 17a, 17b, 17c und 17d geschaltet werden. Es kann dabei auch möglich sein, die Nulldioden 19 durch aktive Schaltelemente wie beispielsweise Leistungshalbleiterschalter zu ersetzen oder parallel zu den Nulldioden 19 aktive Schaltelemente zu schalten, so dass ein ANPC-Stromrichter („active neutral point clamped“) realisiert werden kann. Durch eine geeignete Schaltstrategie der aktiven Schaltelemente, wie beispielsweise IGBT- oder MOSFET-Leistungshalbleiterschalter, kann die Ausgangsspannung dadurch aktiv bezüglich des Referenzpotentials der Gleichrichterschaltung geklemmt werden. Seriell verschaltete Ladekondensatoren 11 und 11a bzw. 12 und 12a dienen zur Spannungsstabilisierung der jeweils generierten mehrfachen Spannungsstufen. Durch die Verwendung von Zweipunkt-NPC-Wandlern 70 steigt die Leistungseffizienz auf Kosten der Komplexität der Schaltung.
Wie in 8 gezeigt können die Gleichspannungswandlermodule 5 jeweils Split-Pi-Wandler 80 umfassen, die aus Ladekondensatoren 11, 12, Wandlerschaltern 13, 14, 16 und 17 sowie zwei Speicherdrosseln 15a, 15b aufgebaut sind. Der Split-Pi-Wandler 80 ist eine serielle Verschaltung zweiter Synchronwandler, die durch einen zwischenliegenden Zwischenkreiskondensator 18d gepuffert werden. Zusätzlich zu dem Zwischenkreiskondensator 18d ist ein Zwischenkreiskondensator 18c vorgesehen, der einen Mittenabgriff der spannungsführenden Busschiene zwischen den Synchronwandlern eines der Split-Pi-Wandler 80 mit der jeweiligen Busschiene des anderen Split-Pi-Wandlers 80‘ eines Gleichspannungswandlermoduls 5 koppelt. Mit dem Split-Pi-Wandler 80 sind sowohl Tief- als auch Hochsetzstellerbetrieb in beiden Energieflussrichtungen möglich. Durch den kontinuierlichen Energiefluss in der Split-Pi-Wandler 80 besonders effizient und bietet gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
Durch die Verwendung von zwei unabhängig voneinander betreibbaren und regelbaren Gleichspannungswandlermodulen 5 können Gleichtaktspannungsschwankungen zwischen den Ausgangsanschlüssen 2a bzw. 2c und dem Referenzpotentialanschluss 2b vermindert werden, insbesondere wenn die Gleichspannungswandlermodule 5 in einem stromgesteuerten Regelbetrieb betrieben werden. Dies trifft für alle Wandlertopologien 20, 30, 40, 50, 60, 70 und 80 der 2 bis 8 zu.
Ähnlich wie beim Split-Pi-Wandler 80 in 8 ist das bipolare Hochspannungsnetz 10 in 9 aufgebaut. Anstelle zweier bipolarer Hochsetzstellerstufen auf der Seite der Moduleingangsanschlüsse 5a kann ein modulübergreifender unipolarer Aufwärtswandler 90 mit einer Speicherdrossel 15 sowie Wandlerschaltern 16 und 17 eingesetzt werden, welcher zwischen die unipolaren Eingangsanschlüsse 1a, 1b des Gleichspannungswandlers 1 und die Moduleingangsanschlüsse 5a der Gleichspannungswandlermodule 5 gekoppelt ist. Die Gleichspannungswandlermodule 5 müssen dann jeweils nur Abwärtswandler umfassen, beispielsweise Abwärtswandler 20 wie in 2 dargestellt. Der unipolare Aufwärtswandler 90 kann über einen Zwischenkreiskondensator 11 von den Gleichspannungswandlermodulen 5 getrennt werden. Eine Voraussetzung für eine eingangsseitige unipolare Aufwärtswandlerstufe 90 ist eine geregelte unipolare Eingangsspannung an den Eingangsanschlüssen 1a und 1b.
Wie in 10 gezeigt kann auch ein bipolares Hochspannungsnetz 10 realisiert werden, welches Abwärtswandler für die Gleichspannungswandlermodule 5 in Form von Halbbrücken eines ungesteuerten oder gesteuerten Zweipunkt-NPC-Wandlers 100 implementiert. Mit einem Zweipunkt-NPC-Wandler 100 kann die Polarität einer unipolaren Eingangsspannung über die Eingangsanschlüsse 1a und 1b gegenüber den Ausgangsanschlüssen 2a bzw. 2c kommutiert werden. Insbesondere beim Einsatz von Gleichspannungsquellen mit in der Polarität wechselnder Gleichspannung wie etwa Bürstenmotoren im Vierquadrantenstellerbetrieb kann der Zweipunkt-NPC-Wandler 100 die notwendige Kommutierung übernehmen. Zur Filterung der unipolaren Eingangsspannung können bipolare LC-Stufen aus jeweils einer Speicherdrossel 15a bzw. 15b und einem Kondensator 11a bzw. 11b eingesetzt werden.
Um ein bipolares Hochspannungsnetz 10 an ein Wechselspannungsnetz anzuschließen, kann das Hochspannungsnetz 10 einen gesteuerten Dreipunkt-NPC-Stromrichter 9a aufweisen, welcher eingangsseitig mit den zwei bipolaren Ausgangsanschlüssen 2a, 2c sowie dem Referenzpotentialanschluss 2b gekoppelt ist. Ausgangsseitig ist weist der Dreipunkt-NPC-Stromrichter 9a drei Wechselspannungsphasenanschlüsse P1, P2 und P3 auf, die über eine LC-Filterstufe 9b mit Phasenklemmen A, B und C sowie einem Neutralleiter N eines Wechselspannungsnetzes gekoppelt sind. Über den Dreipunkt-NPC-Stromrichter 9a können sowohl ungeregelte als auch geregelte Wechselspannungslasten betrieben werden, wie beispielsweise in Barbosa, P.; Steimer, P.; Steinke, J.; Meysenc, L.; Winkelnkemper, M.; Celanovic, N., "Active Neutral-Point-Clamped Multilevel Converters," Power Electronics Specialists Conference, 2005 (PESC '05), IEEE 36th, S. 2296–2301, Juni 2005 detailiert dargestellt.
Die in den 2 bis 11 dargestellten Wandlerschalter können jeweils als Leistungshalbleiterschalter ausgestaltet werden, beispielsweise MOSFET-Schalter, IGBT-Schalter, BJT-Schalter, JFET-Schalter, Bipolartransistoren oder ähnliche Schaltelemente.
12 zeigt eine schematische Illustration eines Verfahrens M zum Betreiben eines bipolaren Hochspannungsnetzes, insbesondere der im Zusammenhang mit den 1 bis 11 gezeigten und erläuterten Hochspannungsnetze 10. Das Verfahren M kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn einer der bipolaren Ausgangsanschlüsse 2a oder 2c des Gleichspannungswandlers 1 ausfällt, zum Beispiel bei zu hoher Impedanz eines der Ausgangsanschlüsse 2a und 2c, d.h. bei einem hochohmigen Erdschluss, oder bei einem Kurzschluss zwischen einem der Ausgangsanschlüsse 2a und 2c und dem Referenzpotentialanschluss 2b.
Das Verfahren M umfasst als ersten Schritt S1 ein Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 zur Ausgabe einer bipolaren Spannung zwischen den bipolaren Ausgangsanschlüssen 2a bzw. 2c und dem Referenzpotentialanschluss 2b des Gleichspannungswandlers 1. Dies ist der Normalbetriebsmodus des Gleichspannungswandlers 1, um eine bipolare Spannungsversorgung beispielsweise für ein bipolares Hochvoltnetz in einem Flugzeug oder Raumfahrzeug zu realisieren. In Schritt S2 wird detektiert, ob ein Kurzschluss zwischen einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse 2a und 2c und dem Referenzpotentialanschluss 2b und/oder ein hochohmiger Fehler an einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse 2a bzw. 2c vorliegt. Wenn ein derartiger Fehler vorliegen sollte, kann von dem Normalbetriebsmodus in einen Notfallbetriebsmodus gewechselt werden, indem in Schritt S3 der Gleichspannungswandler 1 zur Ausgabe einer unipolaren Spannung zwischen dem zweiten, d.h. dem nicht durch den Fehler betroffenen der bipolaren Ausgangsanschlüsse 2a und 2c und dem Referenzpotentialanschluss 2b des Gleichspannungswandlers 1 angesteuert wird.
Der Gleichspannungswandlers 1 kann dabei temporär auch mit einem Kurzschlussstrom betrieben werden, falls ein Kurzschluss detektiert worden ist. Temporär kann in diesem Zusammenhang einen Zeitraum umfassen, der den Gleichspannungswandler bis zu seiner Strombelastungsgrenze treibt. Dadurch wird in Teilnetzen des Hochspannungsnetzes 10, die über Sicherungen mit Überstromabschaltung abgesichert sind, ein Kurzschluss zum Auslösen gebracht, so dass die entsprechende Überstromabschaltung der Teilnetze aktiviert wird. Falls der Kurzschluss durch Komponenten in den dadurch abgeschalteten bzw. deaktivierten Teilnetzen verursacht worden ist, kann das jeweilige Teilnetz durch das Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 in temporärem Kurzschlussstrommodus isoliert werden und der Rest des Hochspannungsnetzes 10 anschließend normal weiter betrieben werden.
Das Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 im unipolaren Modus, d.h. in dem Notfallbetriebsmodus, kann temporär eine eingeschränkte Betriebsbereitschaft gewährleisten, auch wenn ein Fehler im System vorliegen sollte. Dadurch wird die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Hochspannungsnetzes vorteilhafterweise erhöht. Insbesondere mit den in den 1 bis 11 gezeigten Topologien für Gleichspannungswandler 1 bzw. Hochspannungsnetze 10 kann ein derartiger unipolarer Notfallbetriebsmodus einfach implementiert werden, indem das jeweils betroffene der beiden Gleichspannungswandlermodule 5 deaktiviert wird und das jeweils andere für die Erzeugung der unipolaren Spannung herangezogen wird.
13 zeigt eine schematische Illustration eines Flugzeugs F mit einem bipolaren Hochspannungsnetz, beispielsweise einem bipolaren Hochspannungsnetz 10 gemäß der 1 bis 11. Das Hochspannungsnetz 10 kann dazu genutzt werden, in dem Flugzeug eine bipolare Spannungsversorgung mit Gleichspannung, beispielsweise ±270 V, für Gleichspannungslasten in dem Flugzeug F zu realisieren.
Bezugszeichenliste

1: Gleichspannungswandler
1a: unipolarer Eingangsanschluss
1b: unipolarer Eingangsanschluss
2a: bipolarer Ausgangsanschluss
2b: Referenzpotentialanschluss
2c: bipolarer Ausgangsanschluss
3: Referenzpotential
4a: Anschlussklemme
4b: Referenzpotentialklemme
4c: Anschlussklemme
5: Gleichspannungswandlermodul
5a: Moduleingangsanschluss
5b: Modulausgangsanschluss
6: Modulreferenzpotentialanschluss
6a: Ausgangsanschluss
6b: Ausgangsanschluss
7a: Zwischenkreiskondensator
7b: Zwischenkreiskondensator
8: unipolares Gerät
9a: Mehrpunkt-(A)NPC-Stromrichter
9b: LC-Filterstufe
10: bipolares Hochspannungsnetz
11: Ladekondensator
11a: Ladekondensator
11b: Ladekondensator
12: Ladekondensator
12a: Ladekondensator
12b: Ladekondensator
13: Wandlerschalter
14: Wandlerschalter
14a: Wandlerschalter
14b: Wandlerschalter
14c: Wandlerschalter
14d: Wandlerschalter
15: Speicherdrossel
15a: Speicherdrossel
15b: Speicherdrossel
16: Wandlerschalter
17: Wandlerschalter
17a: Wandlerschalter
17b: Wandlerschalter
17c: Wandlerschalter
17d: Wandlerschalter
18a: fliegende Kapazität
18b: fliegende Kapazität
18c: Zwischenkreiskondensator
18d: Ladekondensator
19: Nulldiode
20: Abwärtswandler
30: Aufwärtswandler
40: Inverswandler
50: kaskadierter Abwärts-/Aufwärtswandler
60: kaskadierter Zweipunkt-Abwärts-/Aufwärtswandler
70: Zweipunkt-(A)NPC-Wandler
80: Split-Pi-Wandler
90: unipolarer Aufwärtswandler
100: Zweipunkt-(A)NPC-Wandler
A: Phasenanschluss
B: Phasenanschluss
C: Phasenanschluss
F: Flugzeug
M: Verfahren
N: Neutralleiteranschluss
S1: Verfahrensschritt
S2: Verfahrensschritt
S3: Verfahrensschritt

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

EP 2624433 A1 [0003]
US 2009/0085537 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Lücken, H. Lüdders, T. Kut, S. Dickmann, F. Thielecke, D. Schulz: „Analyse einer neuartigen elektrischen Konverterarchitektur zur Integration von Brennstoffzellen auf Gesamtsystemebene“, Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2012, Berlin, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt-Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2012 [0005]
M. Frisch, T. Ernö: “Symmetrical Boost Concept for Solar Applications up to 1000V”, Vincotech GmbH, 2009 [0006]
Barbosa, P.; Steimer, P.; Steinke, J.; Meysenc, L.; Winkelnkemper, M.; Celanovic, N., "Active Neutral-Point-Clamped Multilevel Converters," Power Electronics Specialists Conference, 2005 (PESC '05), IEEE 36th, S. 2296–2301, Juni 2005 [0053]

Claims

Bipolares Hochspannungsnetz (10) für ein Luft- oder Raumfahrzeug, umfassend: einen Gleichspannungswandler (1), welcher zwei unipolare Eingangsanschlüsse (1a, 1b) und zwei bipolare Ausgangsanschlüsse (2a, 2c) sowie einen Referenzpotentialanschluss (2b) aufweist; und mindestens ein unipolares Gerät (8) mit zwei elektrischen Anschlüssen, welche jeweils mit einem der zwei unipolaren Eingangsanschlüssen (1a, 1b) gekoppelt sind, wobei der Gleichspannungswandler (1) ein erstes Gleichspannungswandlermodul (5) aufweist, welches über einen Moduleingangsanschluss (5a) mit einem ersten der unipolaren Eingangsanschlüsse (1a, 1b) des Gleichspannungswandlers (1), über einen Modulreferenzpotentialanschluss (6) mit dem Referenzpotentialanschluss (2b) des Gleichspannungswandlers (1), und über einen Modulausgangsanschluss (5b) mit einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse (2a, 2c) des Gleichspannungswandlers (1) gekoppelt ist, und der Gleichspannungswandler (1) ein zweites Gleichspannungswandlermodul (5) aufweist, welches über einen Moduleingangsanschluss (5a) mit einem zweiten der unipolaren Eingangsanschlüsse (1a, 1b) des Gleichspannungswandlers (1), über einen Modulreferenzpotentialanschluss (6) mit dem Referenzpotentialanschluss (2b) des Gleichspannungswandlers (1), und über einen Modulausgangsanschluss (5b) mit einem zweiten der bipolaren Ausgangsanschlüsse (2a, 2c) des Gleichspannungswandlers (1) gekoppelt ist.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 1, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils nicht-isolierende Gleichspannungswandler (20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils Abwärtswandler (20) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils Aufwärtswandler (30) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils Inverswandler (40) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils kaskadierte Abwärts-/Aufwärtswandler (50) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 6, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils kaskadierte Zweipunkt-Abwärts-/Aufwärtswandler (60) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils ungesteuerte oder gesteuerte Zweipunkt-NPC-Wandler (70) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils Split-Pi-Wandler (80) umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 2, weiterhin mit: einem unipolaren Aufwärtswandler (90), welcher zwischen die unipolaren Eingangsanschlüsse (1a, 1b) des Gleichspannungswandlers (1) und die Moduleingangsanschlüsse (5a) der Gleichspannungswandlermodule (5) gekoppelt ist, wobei die Gleichspannungswandlermodule (5) jeweils Abwärtswandler umfassen.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach Anspruch 10, wobei die Abwärtswandler der Gleichspannungswandlermodule (5) durch einen ungesteuerten oder gesteuerten Zweipunkt-NPC-Wandler (100) gebildet werden.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin mit: einem gesteuerten Dreipunkt-NPC-Stromrichter (9a), welcher eingangsseitig mit den zwei bipolaren Ausgangsanschlüssen (2a, 2c) sowie dem Referenzpotentialanschluss (2b) des Gleichspannungswandlers (1) gekoppelt ist, und welcher ausgangsseitig drei Wechselspannungsphasenanschlüsse (P1; P2; P3) aufweist; und einer LC-Filterstufe (9b), welche mit den drei Wechselspannungsphasenanschlüssen (P1; P2; P3) des gesteuerten Dreipunkt-NPC-Stromrichters (9a) gekoppelt ist.
Bipolares Hochspannungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin mit: einem ersten Gleichspannungszwischenkreis (7a), welcher zwischen die unipolaren Eingangsanschlüsse (1a, 1b) des Gleichspannungswandlers (1) gekoppelt ist; und einem zweiten Gleichspannungszwischenkreis (7b), welcher zwischen die bipolaren Ausgangsanschlüsse (2a, 2c) des Gleichspannungswandlers (1) gekoppelt ist.
Luft- oder Raumfahrzeug (F) mit einem bipolaren Hochspannungsnetz (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren (M) zum Betreiben eines bipolaren Hochspannungsnetzes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten: Betreiben (S1) des Gleichspannungswandlers (1) zur Ausgabe einer bipolaren Spannung zwischen den bipolaren Ausgangsanschlüssen (2a, 2c) und dem Referenzpotentialanschluss (2b) des Gleichspannungswandlers (1); Detektieren (S2), ob ein Kurzschluss zwischen einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse (2a, 2c) und dem Referenzpotentialanschluss (2b) und/oder ein hochohmiger Fehler an einem ersten der bipolaren Ausgangsanschlüsse (2a, 2c) vorliegt; Betreiben (S3) des Gleichspannungswandlers (1) zur Ausgabe einer unipolaren Spannung zwischen dem zweiten der bipolaren Ausgangsanschlüsse (2a, 2c) und dem Referenzpotentialanschluss (2b) des Gleichspannungswandlers (1), falls ein Kurzschluss und/oder ein hochohmiger Fehler detektiert worden ist.
Verfahren (M) nach Anspruch 15, wobei das Betreiben (S3) des Gleichspannungswandlers (1) ein temporäres Betreiben des Gleichspannungswandlers (1) mit einem Kurzschlussstrom umfasst, falls ein Kurzschluss detektiert worden ist.