DE102014226159A1

DE102014226159A1 - Wechselrichter mit abschaltbaren Komponenten

Info

Publication number: DE102014226159A1
Application number: DE102014226159.7A
Authority: DE
Inventors: Joerg Reuss; Thomas Schimanek
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Es wird ein Verfahren (500) für den Betrieb eines Wechselrichters (100, 300) beschrieben. Der Wechselrichter (100, 300) umfasst eine Basisschaltung (110) und eine Ergänzungsschaltung (120). Das Verfahren (500) umfasst das Ermitteln (501) von Anforderungsdaten (102) bezüglich einer Belastung des Wechselrichters (100, 300). Außerdem umfasst das Verfahren (500) das Betreiben (502) der Ergänzungsschaltung (120) des Wechselrichters (110) in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten (102).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung, insbesondere für die Ansteuerung eines Elektromotors.
Wechselrichter werden z. B. in einem Fahrzeug dazu verwendet, aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung zur Ansteuerung eines Elektromotors des Fahrzeugs zu generieren. Dabei werden für den Aufbau des Wechselrichters unterschiedliche Schaltungstopologien verwendet, welche entweder hart schaltend oder resonant (bzw. weich, quasi resonant) schaltend sind. Im Falle einer resonant schaltenden Topologie werden Kondensatoren und Induktivitäten zum Aufbau eines resonanten Zustands verwendet. Eine resonante Topologie kann dazu verwendet werden, die Verluste des Wechselrichters zu verringern bzw. den Wirkungsgrad des Wechselrichters zu erhöhen. Ein beispielhafter Wechselrichter mit einer resonanten Topologie ist in DE 10 2010 008 426 beschrieben.
Mit steigender Ausgangsleistung (z. B. bis zu 100 kW), für welche der Wechselrichter auszulegen ist, steigen die Größenanforderung für die Komponenten des Wechselrichters. Dies führt insbesondere bei resonanten Topologien dazu, dass die erforderlichen Komponenten zur Bereitstellung eines resonanten Zustands (z. B. die Induktivitäten und/oder die Kondensatoren) sehr groß werden. Beispielsweise kann dies dazu führen, dass Wechselrichter mit einer resonanten Topologie aufgrund des erforderlichen Bauraums und/oder aufgrund des zusätzlichen Gewichts und/oder aufgrund der zusätzlichen Kosten in einem Fahrzeug nicht eingesetzt werden können.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen Wechselrichter bereitzustellen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, der für einen weiten Leistungsbereich ausgelegt ist, und der dennoch ein geringes Gewicht, eine geringe Größe und geringe Kosten aufweist.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren für den Betrieb eines Wechselrichters beschrieben. Der Wechselrichter ist typischerweise eingerichtet, eine Wechselspannung an einem Ausgangspunkt des Wechselrichters, auf Basis von einer Gleichspannung zwischen einem ersten Potential (in diesem Dokument auch als hohes Potential bezeichnet) und einem zweiten Potential (in diesem Dokument auch als niedriges Potential bezeichnet) zu generieren. Zu diesem Zweck umfasst der Wechselrichter eine Basisschaltung und eine Ergänzungsschaltung. Die Basisschaltung kann eingerichtet sein, den Ausgangspunkt des Wechselrichters entweder mit dem ersten Potential oder mit dem zweiten Potential zu koppeln (und dadurch eine Wechselspannung in Bezug auf ein drittes Potential, welches zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential liegt, zu erzeugen). Die Ergänzungsschaltung kann eingerichtet sein, den Ausgangspunkt mit dem dritten Potential zu koppeln, das zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential liegt. Durch die Ergänzungsschaltung kann ggf. die Generierung der Wechselspannung präzisier gestaltet werden, im Vergleich zu einer Generierung der Wechselspannung nur anhand der Basisschaltung.
Der Wechselrichter kann insbesondere in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Im ersten Betriebsmodus kann die Ausgangsspannung (d. h. die Wechselspannung) am Ausgangspunkt des Wechselrichters durch die Basisschaltung und ohne Verwendung der Ergänzungsschaltung generiert wird. Andererseits kann im zweiten Betriebsmodus die Ausgangsspannung durch die Basisschaltung in Kombination mit der Ergänzungsschaltung generiert werden.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Anforderungsdaten bezüglich einer Ausgangsleistung, die an dem Ausgang (d. h. an dem Ausgangspunkt) des Wechselrichters bereitgestellt werden soll. Mit anderen Worten, die Anforderungsdaten können eine Belastung des Wechselrichters anzeigen. Die Ausgangsleistung kann insbesondere für den Betrieb eines Elektromotors eines Fahrzeugs bereitgestellt werden. Die Anforderungsdaten können ein oder mehrere umfassen von: Information bezüglich einer Auslenkung eines Fahrpedals des Fahrzeugs; Information bezüglich eines von dem Elektromotor des Fahrzeugs zu erbringenden Drehmoments; Information bezüglich einer Drehzahl des Elektromotors; Information bezüglich einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs; und/oder Information bezüglich eines zu erbringenden Laststroms am Ausgang des Wechselrichters.
Das Verfahren umfasst weiter das Betreiben der Ergänzungsschaltung des Wechselrichters in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten. Mit anderen Worten, in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten kann die Ergänzungsschaltung für die Bereitstellung der Ausgangsleistung verwendet werden oder nicht. Insbesondere kann der Wechselrichter in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten entweder im ersten Betriebsmodus oder im zweiten Betriebsmodus betrieben werden.
Die selektive Verwendung der Ergänzungsschaltung ermöglicht es, die Anforderungen bzgl. der Dimensionierung der Komponenten der Ergänzungsschaltung zu reduzieren. Insbesondere kann die Ergänzungsschaltung für eine geringere Belastung des Wechselrichters dimensioniert sein als die Basisschaltung. Die Ergänzungsschaltung kann dann verwendet werden, wenn die Belastung des Wechselrichters kleiner als oder gleich wie die Belastung ist, für die die Ergänzungsschaltung dimensioniert wurde. Für höhere Belastungen des Wechselrichters kann dann nur die Basisschaltung verwendet werden. Andererseits kann weiterhin (durch die zumindest teilweise Verwendung der Ergänzungsschaltung) eine hohe Effizienz des Wechselrichters bereitgestellt werden. So kann ein Wechselrichter mit einer hohen Effizienz und mit reduzierter Größe, Gewicht und Kosten bereitgestellt werden.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln, auf Basis der Anforderungsdaten, ob die Ausgangsleistung kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Leistungs-Schwellenwert ist. Die Ergänzungsschaltung kann ein oder mehrere Komponenten umfassen (z. B. Halbleiter-Schalter, Kondensator, Induktivität, etc.). Die ein oder mehreren Komponenten können gemäß dem vordefinierten Leistungs-Schwellenwert dimensioniert sein. Anders ausgedrückt, der Leistungs-Schwellenwert kann in Abhängigkeit von der Dimensionierung der ein oder mehreren Komponenten der Ergänzungsschaltung festgelegt werden.
Der Leistungs-Schwellenwert ist typischerweise kleiner als eine maximale Ausgangsleistung, die von dem Wechselrichter zu erbringen ist. Somit können die ein oder mehreren Komponenten der Ergänzungsschaltung gemäß der reduzierten Leistungsanforderungen des Leistungs-Schwellenwerts ausgelegt sein. Somit können das Gewicht, die Größe und die Kosten für die Ergänzungsschaltung reduziert werden.
Die Ergänzungsschaltung kann betrieben werden (d. h. die Ausgangsleitung kann auch auf Basis von der Ergänzungsschaltung generiert werden), wenn ermittelt wird, dass die Ausgangsleistung kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Leistungs-Schwellenwert ist. Andererseits kann der Wechselrichter ohne die Ergänzungsschaltung betrieben werden (d. h. die Ausgangsleitung kann ohne Verwendung der Ergänzungsschaltung generiert werden), wenn ermittelt wird, dass die Ausgangsleistung größer als der vordefinierte Leistungs-Schwellenwert ist. Somit kann der Wechselrichter weiterhin in effizienter und zuverlässiger Weise betrieben werden (auch bei einer reduzierten Dimensionierung der ein oder mehreren Komponenten der Ergänzungsschaltung).
Die Basisschaltung kann eine Halbbrücke mit einem High-Side Schalter und einem Low-Side Schalter umfassen, die in Reihe zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential angeordnet sind. Die Schalter können zumindest einen IGBT und/oder einen MOSFET umfassen. Der Wechselrichter kann eingerichtet sein, im ersten Betriebsmodus, mittels der Basisschaltung durch abwechselndes Schalten zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential eine Wechselspannung am Ausgangspunkt des Wechselrichters zu generieren.
Die Ergänzungsschaltung kann ein oder mehrere Ergänzungs-Schalter (welche z. B. jeweils mindestens einen IGBT und/oder MOSFET aufweisen) umfassen, wobei die Ergänzungs-Schalter eingerichtet sind, einen Verbindungspunkt zwischen dem High-Side Schalter und dem Low-Side Schalter (wobei der Verbindungspunkt z. B. dem Ausgangspunkt des Wechselrichters entspricht) mit dem dritten Potential (welches in diesem Dokument auch als das mittlere Potential bezeichnet wird) zu koppeln. Dabei kann die Ergänzungsschaltung weiter ein oder mehrere resonante Komponenten (z. B. eine Induktivität und/oder einen Kondensator) umfassen, über die der Verbindungspunkt mit dem dritten Potential gekoppelt ist. Die Verwendung von resonanten Komponenten ist vorteilhaft, da sich so die Schaltverluste der Schalter des Wechselrichters reduzieren und der Wirkungsgrad des Wechselrichters erhöhen lässt.
Der Wechselrichter kann eingerichtet sein, im zweiten Betriebsmodus, mittels der Basisschaltung und mittels der Ergänzungsschaltung durch Schalten zwischen dem ersten Potential, dem zweiten Potential und dem dritten Potential die Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters zu generieren (unter Verwendung der Basisschaltung und der Ergänzungsschaltung). Somit kann in dem zweiten Betriebsmodus (insbesondere bei niedrigen bis mittleren Ausgangsleistungen in Bezug auf eine maximale Ausgangsleistung des Wechselrichters) die Effizienz des Wechselrichters erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit für den Betrieb eines Wechselrichters beschrieben. Der Wechselrichter umfasst eine Basisschaltung und eine Ergänzungsschaltung. Die Steuereinheit ist eingerichtet, Anforderungsdaten bezüglich einer Ausgangsleistung zu ermitteln, die an einem Ausgang des Wechselrichters bereitgestellt werden soll. Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, die Ergänzungsschaltung des Wechselrichters in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten zu betreiben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Wechselrichter zur Generierung einer Wechselspannung an einem Ausgangspunkt des Wechselrichters beschrieben. Die Wechselspannung kann auf Basis von einer Gleichspannung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential generiert werden. Der Wechselrichter umfasst eine Basisschaltung, die eingerichtet ist, den Ausgangspunkt entweder mit dem ersten Potential oder mit dem zweiten Potential zu koppeln. Der Wechselrichter umfasst weiter eine Ergänzungsschaltung, die eingerichtet ist, den Ausgangspunkt mit einem dritten Potential zu koppeln, das zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential liegt. Dabei ist die Ergänzungsschaltung für eine geringere Belastung des Wechselrichters dimensioniert als die Basisschaltung. Desweiteren umfasst der Wechselrichter eine in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Ergänzungsschaltung in selektiver Weise, auf Basis der Anforderungsdaten, anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z. B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das einen in diesem Dokument beschriebenen Wechselrichter umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z. B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 einen beispielhaften Wechselrichter;
2 beispielhafte Verläufe der Ausgangsspannung von Wechselrichtern;
3 einen beispielhaften Wechselrichter mit einer resonanten Struktur;
4 einen beispielhaften Verlauf der Ausgangsspannung eines Wechselrichters mit resonanter Struktur; und
5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Wechselrichters.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines Wechselrichters, der eine Vielzahl von Bedingungen erfüllt, insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz (z. B. um die Reichweite eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb zu erhöhen), Kosteneffizienz, Größe (z. B. um in dem limitierten Bauraum eines Fahrzeugs verbaut werden zu können) und/oder Gewicht (z. B. um das Gewicht eines Fahrzeugs zu reduzieren und somit den Energieverbrauch des Fahrzeugs zu verringern).
In diesem Zusammenhang zeigt 1 einen beispielhaften Wechselrichter 100. Der Wechselrichter 100 umfasst eine Basisschaltung 110, die eingerichtet ist, aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung 144 zu generieren. Die Gleichspannung wird durch die Energiequellen 131, 132 (welche z. B. ein oder mehrere Batterien umfassen können) bereitgestellt. Die Gleichspannung kann auch durch eine einzelne Energiequelle bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, die Energiequellen 131, 132 können durch eine einzelne Energiequelle realisiert werden (z. B. durch eine einzelne Batterie).
1 zeigt eine erste Energiequelle 131 und eine zweite Energiequelle 132, die in Reihe geschaltet sind. An einem ersten Pol der ersten Energiequelle 131 wird ein hohes Potential 141 (in diesem Dokument auch als ein erstes Potential bezeichnet) und an einem zweiten Pol der ersten Energiequelle 131 wird ein mittleres Potential 142 (in diesem Dokument auch als ein drittes Potential bezeichnet) bereitgestellt. Der zweite Pol der ersten Energiequelle 131 ist mit einem ersten Pol der zweiten Energiequelle 132 gekoppelt. An einem zweiten Pole der zweiten Energiequelle 132 wird ein niedriges Potential 143 (in diesem Dokument auch als ein zweites Potential bezeichnet) bereitgestellt.
Die von den Energiequellen 131, 132 bereitgestellte Gleichspannung kann durch Kondensatoren 135, 136, welche jeweils einer Energiequelle 131, 132 parallel geschaltet sind, stabilisiert werden. An einem ersten Kondensator 135 (welcher parallel zu der ersten Energiequelle 131 angeordnet ist) liegt somit eine erste Spannung 133, welche der Differenz aus dem hohen Potential 141 und dem mittleren Potential 142 entspricht. An einem zweiten Kondensator 136 (welcher parallel zu der zweiten Energiequelle 132 angeordnet ist) liegt somit eine zweite Spannung 136, welche der Differenz aus dem mittleren Potential 142 und dem niedrigen Potential 143 entspricht.
Wie oben dargelegt, kann die Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters durch eine einzelne Energiequelle bereitgestellt werde. Der erste Kondensator 135 und der zweite Kondensator 136 können in Reihe zueinander angeordnet sein, und die Reihenschaltung aus dem ersten Kondensator 135 und dem zweiten Kondensator 136 kann parallel zu der einzelnen Energiequelle angeordnet sein. So kann an dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Kondensator 135 und dem zweiten Kondensator 136 das mittlere Potential 142 bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, die beiden Kondensatoren 135, 136 können dazu verwendet werden, das mittlere Potential 142 zu erzeugen.
Mit der von dem Wechselrichter 100 bereitgestellten Wechselspannung 144 kann eine Last 104 (z. B. ein Elektromotor) betrieben werden. Insbesondere kann durch den Wechselrichter 100 eine Phase eines Drehstroms zum Betrieb eines Elektromotors bereitgestellt werden. Durch die Verwendung von drei Wechselrichtern 100, welche phasenverschoben zueinander betrieben werden, kann somit ein Drehstrom für den Betrieb eines Elektromotors bereitgestellt werden. Über die Frequenz und die Amplitude der generierten Wechselspannung 144 (bzw. der durch eine Vielzahl von Wechselrichtern 100 generierten Wechselspannungen) kann eine Drehzahl eines Elektromotors gesteuert werden. Desweiteren kann über eine von dem Wechselrichter 100 bereitgestellten elektrischen Leistung eine mechanische Leistung des Elektromotors gesteuert werden.
Der Wechselrichter 100 umfasst eine Steuereinheit 101, die eingerichtet ist, eine Basisschaltung 110 und/oder eine Ergänzungsschaltung 120 des Wechselrichters 100 anzusteuern. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 101 Anforderungsdaten 102 bzgl. der von dem Wechselrichter 100 bereitzustellenden Leistung ermitteln. Beispielhafte Anforderungsdaten 102 sind

• ein von der Last 104 aufgenommener Laststrom;
• eine Drehzahl eines Elektromotors eines Fahrzeugs;
• ein Drehmoment des Elektromotors; und/oder
• eine Stellung eines Fahrpedals bzw. eines anderweitigen Steuerungsgeräts des Fahrzeugs.

Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, Steuersignale 103 für die Basisschaltung 110 und/oder für die Ergänzungsschaltung 120 zu generieren. Die Steuersignale 103 können in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten 102 ermittelt werden. Die Steuersignale 103 können die Basisschaltung 110 und/oder die Ergänzungsschaltung 120 dazu veranlassen, am Ausgang des Wechselrichters 100 eine Ausgangsspannung 144 und einen Ausgangsstrom bereitzustellen, der den Anforderungen der Last 104 genügt.
In dem in 1 dargestellten Beispiel umfasst die Basisschaltung 110 einen High-Side Schalter 111 und einen Low-Side Schalter 112, die in Reihe zwischen dem hohen Potential 141 und dem niedrigen Potential 143 angeordnet sind. Durch ein abwechselndes Ein-/Ausschalten der Schalter 111, 112 kann der Verlauf einer Wechselspannung 144 an dem Mittelpunkt zwischen dem High-Side Schalter 111 und dem Low-Side Schalter 112 nachgebildet werden. Dies ist beispielhaft im oberen Teil von 2 dargestellt. Die Pulsweite 201 von Phasen, an denen entweder der High-Side Schalter 111 oder der Low-Side Schalter eingeschaltet sind, kann variiert werden, um z. B. die in 2 dargestellte sinusförmige Ausgangspannung 144 bereitzustellen.
Die Ergänzungsschaltung 120 kann dazu verwendet werden, mit einer erhöhten Effizienz und/oder mit einer höheren Präzision eine gewünschte Ausgangsspannung 144 und/oder einen gewünschten Ausgangsstrom bereitzustellen. Durch die Ergänzungsschaltung 120 können insbesondere weitere Zustände bereitgestellt werden. Die in 2 dargestellte Ergänzungsschaltung 120 weist Ergänzungs-Schalter 121, 122 auf, durch die das mittlere Potential 142 direkt auf den Ausgang des Wechselrichters 100 gelegt werden kann. Durch eine entsprechende Ansteuerung des High-Side Schalters 111, der Ergänzungs-Schalter 121, 122 und des Low-Side Schalters 112 können somit entweder das hohe Potential 141, das mittlere Potential 142 oder das untere Potential 143 an den Ausgang des Wechselrichters 100 gelegt werden. Anhand einer geeigneten Ansteuerung der Schalter 111, 121, 122, 112 durch die Steuereinheit 101 kann z. B. auf die in 2 (unteres Bild) dargestellte Weise die Ausgangsspannung 144 bereitgestellt werden. Dabei kann in ersten Bereichen 202 der Ausgangsspannung 144 ein Schalten zwischen hohem Potential 141 und mittlerem Potential 142 erfolgen. In zweiten Bereichen 203 der Ausgangsspannung 144 kann ein Schalten zwischen niedrigem Potential 143 und mittlerem Potential 142 erfolgen.
Die von der Last 104 angeforderte Leistung kann stark variieren. Insbesondere bei der Ansteuerung des Elektromotors eines Fahrzeugs können hohe Leistungen (z. B. 100 kW) erforderlich sein (z. B. im Rahmen einer Beschleunigung oder einer Berg- auf Fahrt). Die im Wechselrichter 100 verbauten Komponenten (insbesondere die Schalter 111, 112, 121, 122 und die Kondensatoren 135, 136) müssen für die Bereitstellung einer maximal möglichen Leistung ausgelegt sein. Dadurch steigen die Kosten, das Gewicht, der Bauraum und ggf. die Energieverluste.
Zur Lösung dieses Problems kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, die Ergänzungsschaltung 120 nur in einem reduzierten Leistungsbereich anzusteuern. Insbesondere kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, die Basisschaltung 110 in einem ersten Leistungsbereich anzusteuern und die Ergänzungsschaltung 120 in einem zweiten Leistungsbereich anzusteuern. Dabei kann der erste Leistungsbereich den zweiten Leistungsbereich umfassen. Desweiteren kann der zweite Leistungsbereich eine kleinere zweite Maximalleistung aufweisen als die erste Maximalleistung des ersten Leistungsbereichs. Die zweite Maximalleistung kann dem in diesem Dokument beschriebenen Leistungs-Schwellenwert entsprechen.
Als Folge aus der begrenzten Nutzung kann die Ergänzungsschaltung 120 nur in Bezug auf den zweiten Leistungsbereich ausgelegt werden. Insbesondere können die Kosten, das Gewicht und der Bauraum für die Ergänzungsschaltung 120 reduziert werden. Andererseits wird eine Effizienz des Wechselrichters 100 durch eine derartige eingeschränkte Nutzung der Ergänzungsschaltung 120 kaum reduziert, da, insbesondere bei hohen Leistungen, bereits durch die Basisschaltung 110 eine relativ hohe Effizienz bereitgestellt werden kann.
3 zeigt einen Wechselrichter 300 mit einer beispielhaften resonanten Ergänzungsschaltung 120. Details bzgl. der Funktionsweise eines Wechselrichters 300 mit der in 3 dargestellten resonanten Schaltung sind in DE 10 2010 008 426 beschrieben. Es wird hiermit explizit auf die Offenbarung dieser Druckschrift verwiesen und deren Offenbarung per Verweis in diese Patentanmeldung übernommen. Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, Steuersignale 103 für die Basisschaltung 110 und für die Ergänzungsschaltung 120 zu generieren. Insbesondere kann durch geeignete Ansteuerung der Schalter 111, 121, 122, 112 ein in 4 dargestellter Verlauf der Ausgangsspannung 144 des Wechselrichters 300 generiert werden.
Die in 3 dargestellte resonante Ergänzungsschaltung 120 ist vorteilhaft, da es die Ergänzungsschaltung 120 ermöglicht, die Schaltungsverluste der Schalter 111, 121, 122, 112 zu reduzieren und dadurch den Wirkungsgrad des Wechselrichters zu erhöhen. Andererseits erfordert die Bereitstellung von hohen Ausgangsleistungen die Verwendung von relativ großen, schweren und kostenintensiven Komponenten. Dies ist insbesondere der Fall für die in 3 dargestellte Induktivität 301 der Ergänzungsschaltung 120.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Ergänzungsschaltung 120 für einen reduzierten zweiten Leistungsbereich ausgelegt sein, der eine geringere Maximalleistung aufweist als der erste Leistungsbereich, für den die Basisschaltung 110 ausgelegt ist. Dadurch können die Komponenten der Ergänzungsschaltung 120 kleiner, leichter und kostengünstiger ausgelegt werden.
Die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, Anforderungsdaten 102 bzgl. der von dem Wechselrichter 300 bereitzustellenden Leistung zu ermitteln.
Desweiteren kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, auf Basis der Anforderungsdaten 102 zu ermitteln, ob nur die Basisschaltung 110 des Wechselrichters 300 oder sowohl die Basisschaltung 110 als auch die Ergänzungsschaltung 120 des Wechselrichters 300 betrieben bzw. angesteuert werden, um die Ausgangsspannung 144 und den Ausgangsstrom des Wechselrichters 300 bereitzustellen.
Hart schaltende Wechselrichter sind bei relativ hohen Lasten (z. B. 100 kW) bzw. bei Volllast meist annähernd so effizient wie resonante Wechselrichter. Andererseits hat sich gezeigt, dass insbesondere im Teillastbereich resonante Wechselrichter wesentlich effizienter sind. Durch den Betrieb des Wechselrichters 300 in einer hart schaltenden Form (nur mittels der Basisschaltung 110) bei hohen Lasten bzw. bei Volllast, und durch den Betrieb des Wechselrichters 300 in einer resonant schaltenden Form (mittels der Kombination aus Basisschaltung 110 und Ergänzungsschaltung 120) bei Teillast kann somit der Wechselrichter 300 weiterhin mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden. Andererseits können die Dimensionierungen der Komponenten der Ergänzungsschaltung 120 aufgrund des reduzierten Leistungsbereichs reduziert werden, so dass die Größe, das Gewicht und die Kosten des Wechselrichters 300 reduziert werden können. Die Steuereinheit 101 gewährleistet dabei den Last-abhängigen Wechsel zwischen

• einem Hochlast-Betrieb, bei dem nur die Basisschaltung 110 verwendet wird (dieser Betrieb wird in diesem Dokument auch als der erste Betriebsmodus bezeichnet); und
• einem Niederlast-Betrieb, bei dem sowohl die Basisschaltung 110 als auch die Ergänzungsschaltung 120 verwendet werden (dieser Betrieb wird in diesem Dokument auch als der zweite Betriebsmodus bezeichnet).

Ein derartiger selektiver Betrieb ist insbesondere bei Wechselrichtern 300 mit einer resonanten Ergänzungsschaltung 120 vorteilhaft, da so die erforderlichen Resonanzkomponenten der Ergänzungsschaltung 120 kleiner dimensioniert werden können, und so die Verwendung von Wechselrichtern 300 mit einer resonanten Ergänzungsschaltung 120 in einem Fahrzeug ermöglicht wird. Durch die Verwendung von Wechselrichtern 300 mit einer resonanten Ergänzungsschaltung 120 kann insbesondere der Betrieb im Teillastbereich des Fahrzeugs (z. B. eine gleichmäßige Fahrt über eine ebene Straße) substantiell verbessert werden.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 für den Betrieb eines Wechselrichters 100, 300. Der Wechselrichter 100, 300 weist eine Basisschaltung 110 und eine Ergänzungsschaltung 120 auf. Insbesondere kann der Wechselrichter 100, 300 in einem ersten Betriebsmodus mit der Basisschaltung 110 und ohne die Ergänzungsschaltung 120 betrieben werden. Andererseits kann der Wechselrichter 100, 300 in einem zweiten Betriebsmodus mit der Basisschaltung 110 und mit der Ergänzungsschaltung 120 betrieben werden.
Das Verfahren 500 umfasst das Ermitteln 501 von Anforderungsdaten 102 bezüglich einer Ausgangsleistung, die an einem Ausgang des Wechselrichters 100, 300 bereitgestellt werden soll, bzw. Anforderungsdaten 102 bezüglich einer Wechselrichterbelastung. Desweiteren umfasst das Verfahren 500 das Betreiben 502 der Ergänzungsschaltung 120 des Wechselrichters 110 in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten 102. Insbesondere kann in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten 102 der Wechselrichter 100, 300 entweder im ersten Betriebsmodus oder im zweiten Betriebsmodus betrieben werden.
Wie in diesem Dokument dargelegt, ändert sich durch das Zu-/Abschalten eines anders-artigen Schaltungsteils (d. h. der Ergänzungsschaltung 120) das Schaltverhalten und die Struktur der gesamten Schaltung (d. h. des Wechselrichters 100, 300). Die Änderungen bestehen zum einen in der gegenüber der Basisschaltung 110 anderen Auslegung/Dimensionierung/Stromtragfähigkeit und zum anderen in einer anderen Schaltungsanordnung.
Durch Verwendung einer Schaltungstopologie, die im Betrieb (d. h. online) ein Abschalten von Resonanzkomponenten 301 erlaubt, ist es möglich, diese Komponenten 301 nur auf einen Teilbetriebsbereich (z. B. bis zu 1/4 des Nennstromes der Schaltung) auszulegen und die Schaltung (d. h. den Wechselrichter) im restlichen Betriebsbereich nicht resonant zu betrieben.
Dies erlaubt eine Auslegung der Komponenten einer Schaltung, welche zu kleineren, leichteren und günstigeren Komponenten führt, ohne dabei beispielsweise den Wirkungsgrad, im Vergleich zum Betrieb mit Komponenten, die für den gesamten Betriebsbereich ausgelegt sind, substantiell zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010008426 [0002, 0042]

Claims

Verfahren (500) für den Betrieb eines Wechselrichters (100, 300), wobei der Wechselrichter (100, 300) eine Basisschaltung (110) und eine Ergänzungsschaltung (120) aufweist, wobei das Verfahren (500) umfasst, – Ermitteln (501) von Anforderungsdaten (102) bezüglich einer Belastung des Wechselrichters (100, 300); und – Betreiben (502) der Ergänzungsschaltung (120) des Wechselrichters (110) in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten (102).
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, weiter umfassend, – Ermitteln, auf Basis der Anforderungsdaten (102), ob eine von dem Wechselrichter (100, 300) bereitzustellende Ausgangsleistung kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Leistungs-Schwellenwert ist; – Betreiben (502) der Ergänzungsschaltung (120), wenn ermittelt wird, dass die Ausgangsleistung kleiner als oder gleich wie ein vordefinierter Leistungs-Schwellenwert ist; und – Betreiben (502) des Wechselrichters (100, 300) ohne die Ergänzungsschaltung (120), wenn ermittelt wird, dass die Ausgangsleistung größer als der vordefinierte Leistungs-Schwellenwert ist.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 2, wobei – die Ergänzungsschaltung (120) ein oder mehrere Komponenten (121, 122, 301) umfasst; und – die ein oder mehreren Komponenten (121, 122, 301) gemäß dem vordefinierten Leistungs-Schwellenwert dimensioniert sind.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Wechselrichter (100, 300) eine Ausgangsleistung für den Betrieb eines Elektromotors eines Fahrzeugs bereitstellt; – die Anforderungsdaten (102) ein oder mehrere umfassen von, – Information bezüglich einer Auslenkung eines Fahrpedals des Fahrzeugs; – Information bezüglich eines von dem Elektromotor des Fahrzeugs zu erbringenden Drehmoments; – Information bezüglich einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs; und/oder – Information bezüglich eines zu erbringenden Laststroms am Ausgang des Wechselrichters.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Wechselrichter (100, 300) eingerichtet ist, auf Basis einer Gleichspannung an einem Eingang des Wechselrichter (100, 300) eine Wechselspannung (144) am Ausgang des Wechselrichters (100, 300) zu generieren; – der Wechselrichter (100, 300) in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann; – im ersten Betriebsmodus, die Ausgangsspannung (144) durch die Basisschaltung (110) und ohne Verwendung der Ergänzungsschaltung (120) generiert wird; – im zweiten Betriebsmodus, die Ausgangsspannung (144) durch die Basisschaltung (110) und durch die Ergänzungsschaltung (120) generiert wird; und – der Wechselrichter (100, 300) in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten (102) im ersten Betriebsmodus oder im zweiten Betriebsmodus betrieben wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Basisschaltung (110) eine Halbbrücke mit einem High-Side Schalter (111) und einem Low-Side Schalter (112) umfasst, die in Reihe zwischen einem ersten Potential (141) und einem zweiten Potential (143) angeordnet sind; und – der Wechselrichter (100, 300) eingerichtet ist, im ersten Betriebsmodus, mittels der Basisschaltung (110) durch Schalten zwischen dem ersten Potential (141) und dem zweiten Potential (143) eine Wechselspannung (144) am Ausgang des Wechselrichters (100, 300) zu generieren.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 6, wobei – die Ergänzungsschaltung (120) ein oder mehrere Ergänzungs-Schalter (121, 122) umfasst, die eingerichtet sind, einen Verbindungspunkt zwischen dem High-Side Schalter (111) und dem Low-Side Schalter (112) mit einem dritten Potential (142) zu koppeln; – das dritte Potential (142) zwischen dem ersten Potential (141) und dem zweiten Potential (143) liegt; und – der Wechselrichter (100, 300) eingerichtet ist, im zweiten Betriebsmodus, mittels der Basisschaltung (110) und mittels der Ergänzungsschaltung (120) durch Schalten zwischen dem ersten Potential (141), dem zweiten Potential (143) und dem dritten Potential (142) die Wechselspannung (144) am Ausgang des Wechselrichters (100, 300) zu generieren.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 7, wobei die Ergänzungsschaltung (120) ein oder mehrere resonante Komponenten (301) umfasst, über die der Verbindungspunkt mit dem dritten Potential (142) gekoppelt ist.
Steuereinheit (101) für den Betrieb eines Wechselrichters (100, 300), wobei der Wechselrichter (100, 300) eine Basisschaltung (110) und eine Ergänzungsschaltung (120) umfasst, wobei die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, – Anforderungsdaten (102) bezüglich einer Belastung des Wechselrichters (100, 300); und – die Ergänzungsschaltung (120) des Wechselrichters (110) in Abhängigkeit von den Anforderungsdaten (102) zu betreiben.
Wechselrichter (100, 300) zur Generierung einer Wechselspannung (144) an einem Ausgangspunkt des Wechselrichters (100, 300), auf Basis von einer Gleichspannung zwischen einem ersten Potential (141) und einem zweiten Potential (143), wobei der Wechselrichter (100, 300) umfasst, – eine Basisschaltung (110), die eingerichtet ist, den Ausgangspunkt entweder mit dem ersten Potential (141) oder mit dem zweiten Potential (143) zu koppeln; – eine Ergänzungsschaltung (120), die eingerichtet ist, den Ausgangspunkt mit einem dritten Potential (142) zu koppeln, das zwischen dem ersten Potential (141) und dem zweiten Potential (143) liegt; wobei die Ergänzungsschaltung (120) für eine geringere Belastung des Wechselrichters (100, 300) dimensioniert ist als die Basisschaltung (110); und – eine Steuereinheit (101) gemäß Anspruch 9, die eingerichtet ist, die Ergänzungsschaltung (120) in selektiver Weise, auf Basis von Anforderungsdaten (102) bezüglich der Belastung des Wechselrichters (100, 300), anzusteuern.