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Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Wechselrichter zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers, welcher mehrere Eingangsterminals zum Anschluss von mindestens einer ersten Batterie und einer zweiten Batterie sowie mehrere Phasenausgänge zum Anschluss des Verbrauchers umfasst.
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Stand der Technik
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Zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers, beispielsweise eines dreiphasigen Elektromotors, ist es bekannt, Wechselrichter einzusetzen. Solche Wechselrichter werden auch als Inverter bezeichnet. Der Wechselrichter ermöglicht, den Verbraucher aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, zu speisen.
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Wechselrichter werden insbesondere in Elektrofahrzeugen zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors eingesetzt. Wechselrichter werden beispielsweise auch eingesetzt, um elektrischen Strom, der in einer Photovoltaikanlage erzeugt wird, in ein vorhandenes Versorgungsnetz einzuspeisen.
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Es sind Wechselrichter bekannt, an welche mehrere, beispielsweise zwei, Batterien anschließbar sind. Bei entsprechender Ansteuerung des Wechselrichters kann der Verbraucher wahlweise aus der ersten Batterie, aus der zweiten Batterie oder aus einer Serienschaltung beider Batterien gespeist werden. Dadurch kann der Verbraucher mit verschieden hohen Spannungen versorgt werden. Derartige Wechselrichter werden auch als Multilevel-Inverter bezeichnet.
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Ein gattungsgemäßer Wechselrichter ist aus der
DE 10 2012 012 048 A1 bekannt. Der Wechselrichter umfasst dabei mehrere Eingangsterminals, an die zwei Kondensatoren angeschlossen sind, sowie drei Phasenausgänge zum Anschluss einer Drehstrommaschine. Jedem der drei Phasenausgänge ist dabei eine Brückenschaltung mit ansteuerbaren Schaltern zugeordnet, durch die der jeweilige Phasenausgang mit den verschiedenen Eingangsterminals verbindbar ist.
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Die
DE 10 2012 212 556 A1 offenbart eine elektrische Schaltung mit ansteuerbaren Schaltern und mit zwei Phasenausgängen. Durch entsprechende Ansteuerung der Schalter sind drei verschiedene Spannungen zwischen den Phasenausgängen einstellbar.
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Aus der
DE 10 2013 215 572 A1 geht eine Energiespeichervorrichtung mit zwei Phasenausgängen hervor. Die Energiespeichervorrichtung weist dabei mehrere Mehrspannungsstufen-Konverter auf, welche auch als Multilevel-Konverter bezeichnet werden.
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In der
DE 10 2011 056 135 A1 ist Energieerzeugungsanlage offenbart, welche einen Generator und einen Wechselrichter aufweist. Der Wechselrichter ist dabei als Multilevel-Wechselrichter ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein mehrphasiger Wechselrichter zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers vorgeschlagen. Der Wechselrichter umfasst mehrere Eingangsterminals zum Anschluss von mindestens einer ersten Batterie und einer zweiten Batterie sowie mehrere Phasenausgänge zum Anschluss des Verbrauchers. Dabei ist jedem Phasenausgang eine Brückenschaltung mit ansteuerbaren Schaltern zugeordnet, durch die der Phasenausgang mit verschiedenen Eingangsterminals verbindbar ist.
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Erfindungsgemäß weist jede Brückenschaltung einen Eingangsschalter, mehrere Knotenschalter und einen Ausgangsschalter auf. Der Eingangsschalter jeder Brückenschaltung ist dabei mit einem ersten Eingangsterminal und mit dem Phasenausgang verbunden. Die Knotenschalter jeder Brückenschaltung sind mit einem der übrigen Eingangsterminals und mit einem Knotenpunkt verbunden.
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Der Ausgangsschalter jeder Brückenschaltung ist mit dem Knotenpunkt und mit dem Phasenausgang verbunden. Damit der Phasenausgang wahlweise mit dem ersten Eingangsterminal sowie mit dem Knotenpunkt verbindbar.
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Vorzugsweise sind drei Phasenausgänge zum Anschluss eines dreiphasigen Verbrauchers, beispielsweise eine Drehstrommotors, vorgesehen.
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Die Schalter umfassen mindestens einen Transistor, eine Diode sowie eine Ansteuereinheit. Die Diode ist dabei derart mit dem Transistor verschaltet, dass ein Strom in eine vorgegebene Richtung fließen kann, auch wenn der Transistor sperrt. Bei dem Transistor handelt es sich vorzugsweise um einen Bipolartransistor oder um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor, IGBT).
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Vorzugsweise sind das erste Eingangsterminal sowie ein zweites Eingangsterminal zum Anschluss der ersten Batterie vorgesehen, und ein drittes Eingangsterminal sowie ein viertes Eingangsterminal sind zum Anschluss der zweiten Batterie vorgesehen.
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Vorteilhaft ist der Wechselrichter derart ausgebildet, dass bei geöffneten Schaltern das erste Eingangsterminal und das zweite Eingangsterminal galvanisch getrennt von dem dritten Eingangsterminal und von dem vierten Eingangsterminal sind.
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Unter anderem weist jede Brückenschaltung einen Primärknotenschalter auf, der mit dem zweiten Eingangsterminal und mit dem Knotenpunkt verbunden ist. Der Primärknotenschalter ist somit mit der ersten Batterie verbunden, ebenso wie der Eingangsschalter.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Primärknotenschalter als Antiparallelschalter ausgeführt und umfassen jeweils zwei Transistoren, zwei Dioden sowie eine Ansteuereinheit. Die Dioden sind dabei derart mit den Transistoren verschaltet, dass in keine Richtung ein Strom fließen kann, wenn die Transistoren sperren.
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Vorteilhaft ist der Wechselrichter derart ausgebildet, dass, wenn beide Batterien angeschlossen sind, bei geöffneten Schaltern die erste Batterie galvanisch getrennt von der zweiten Batterie ist.
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Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), insbesondere zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors, oder in einer Photovoltaikanlage. Der erfindungsgemäße Wechselrichter ist prinzipiell überall einsetzbar, wenn zwei Batterien anzuschließen sind.
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Vorteile der Erfindung
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Bei entsprechender Ansteuerung des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann der angeschlossene Verbraucher wahlweise aus der ersten Batterie, aus der zweiten Batterie oder aus einer Serienschaltung beider Batterien gespeist werden. Dadurch kann der angeschlossene Verbraucher mit verschieden hohen Spannungen versorgt werden. Damit weist der erfindungsgemäße Wechselrichter die Funktionalität eines Multilevel-Inverters auf.
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Zusätzlich kann der angeschlossene Verbraucher bei entsprechender Ansteuerung des erfindungsgemäßen Wechselrichters auch aus einer Parallelschaltung beider Batterien gespeist werden. Dadurch kann dem angeschlossenen Verbraucher bei gleicher Spannung ein höherer Strom geliefert werden.
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Im Falle einer Parallelschaltung beider Batterien zur Speisung des angeschlossenen Verbrauchers darf die Spannung der ersten Batterie größer als die Spannung der zweiten Batterie sein. Dabei wird der Verbraucher zunächst ausschließlich aus der ersten Batterie gespeist, welche die höhere Spannung und damit auch den höheren Ladezustand aufweist. Erst dann, wenn die erste Batterie soweit entladen ist, dass die Ladezustände der beiden Batterien annähernd gleich sind, wird der angeschlossene Verbraucher aus beiden Batterien gespeist.
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Bei einer solchen Parallelschaltung von einer ersten Batterie mit einem höheren Ladezustand und einer zweiten Batterie mit einem geringeren Ladezustand wird somit die erste Batterie zunächst soweit entladen, bis die Ladezustände beider Batterien annähernd angeglichen sind. Danach werden beide Batterien annähernd gleichartig entladen. Somit findet bei einer Speisung des angeschlossenen Verbrauchers aus einer Parallelschaltung beider Batterien automatisch eine Angleichung der Ladezustände statt, was auch als Balancing bezeichnet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wechselrichters,
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2 eine schematische Darstellung eines Schalters des Wechselrichters aus 1 und
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3 eine schematische Darstellung eines Primärknotenschalters des Wechselrichters aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Wechselrichters 10. Der Wechselrichter 10 umfasst dabei ein erstes Eingangsterminal 25, ein zweites Eingangsterminal 26, ein drittes Eingangsterminal 27 und ein viertes Eingangsterminal 28.
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Ein positiver Pol einer ersten Batterie 21 ist mit dem ersten Eingangsterminal 25 verbunden. Ein negativer Pol der ersten Batterie 21 ist mit dem zweiten Eingangsterminal 26 verbunden. Ein positiver Pol einer zweiten Batterie 22 ist mit dem dritten Eingangsterminal 27 verbunden. Ein negativer Pol der zweiten Batterie 22 ist mit dem vierten Eingangsterminal 28 verbunden.
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Die erste Batterie 21 liefert eine erste Batteriespannung UB1, welche zwischen dem ersten Eingangsterminal 25 und dem zweiten Eingangsterminal 26 anliegt. Die zweite Batterie 22 liefert eine zweite Batteriespannung UB2, welche zwischen dem dritten Eingangsterminal 27 und dem vierten Eingangsterminal 28 anliegt.
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Der Wechselrichter 10 weist ferner einen ersten Phasenausgang 51, einen zweiten Phasenausgang 52 und einen dritten Phasenausgang 53 auf. Ein Verbraucher 50 ist mit den Phasenausgängen 51, 52, 53 verbunden. Der Verbraucher 50 ist vorliegend dreiphasig ausgeführt und weist einen ersten Strang 61, einen zweiten Strang 62 und einen dritten Strang 63 auf. Der erste Strang 61 ist dabei an den ersten Phasenausgang 51 angeschlossen, der zweite Strang 62 ist an den zweiten Phasenausgang 52 angeschlossen, und der dritte Strang 63 ist an den dritten Phasenausgang 53 angeschlossen.
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Der erste Strang 61 des Verbrauchers 50 umfasst eine Last, welche vorliegend als eine Serienschaltung aus einer Induktivität und einem ohmschen Verbraucher dargestellt ist. Ebenso umfasst der zweite Strang 62 eine Last, welche als eine Serienschaltung aus einer Induktivität und einem ohmschen Verbraucher dargestellt ist. Auch der dritte Strang 63 umfasst eine Last, die als Serienschaltung aus einer Induktivität und einem ohmschen Verbraucher dargestellt ist. Die Stränge 61, 62, 63 des Verbrauchers 50 sind an einem Sternpunkt 60 zusammengeführt und miteinander verbunden.
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Zwischen dem ersten Phasenausgang 51 und dem Sternpunkt 60 fällt eine erste Ausgangsspannung U1 ab. Zwischen dem zweiten Phasenausgang 52 und dem Sternpunkt 60 fällt eine zweite Ausgangsspannung U2 ab. Zwischen dem dritten Phasenausgang 53 und dem Sternpunkt 60 fällt eine dritte Ausgangsspannung U3 ab.
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Dem ersten Phasenausgang 51 ist eine erste Brückenschaltung 31 zugeordnet. Dem zweiten Phasenausgang 52 ist eine zweite Brückenschaltung 32 zugeordnet. Dem dritten Phasenausgang 53 ist eine dritte Brückenschaltung 33 zugeordnet.
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Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Eingangsschalter S1, welcher mit dem ersten Eingangsterminal 25 und mit dem ersten Phasenausgang 51 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten Eingangsschalter S6, welcher mit dem ersten Eingangsterminal 25 und mit dem zweiten Phasenausgang 52 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Eingangsschalter S11, der mit dem ersten Eingangsterminal 25 und mit dem dritten Phasenausgang 53 verbunden ist.
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Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Primärknotenschalter S2, welcher mit dem zweiten Eingangsterminal 26 und mit einem ersten Knotenpunkt 41 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten Primärknotenschalter S7, welcher mit dem zweiten Eingangsterminal 26 und mit einem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Primärknotenschalter S12, welcher mit dem zweiten Eingangsterminal 26 und mit einem dritten Knotenpunkt 43 verbunden ist.
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Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Sekundärknotenschalter S3, der mit dem dritten Eingangsterminal 27 und mit dem ersten Knotenpunkt 41 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten Sekundärknotenschalter S8, der mit dem dritten Eingangsterminal 27 und mit dem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Sekundärknotenschalter S13, der mit dem dritten Eingangsterminal 27 und mit dem dritten Knotenpunkt 43 verbunden ist.
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Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Tertiärknotenschalter S5, der mit dem vierten Eingangsterminal 28 und mit dem ersten Knotenpunkt 41 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten Tertiärknotenschalter S10, der mit dem vierten Eingangsterminal 28 und mit dem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Tertiärknotenschaltung S15, der mit dem vierten Eingangsterminal 28 und mit dem dritten Knotenpunkt 43 verbunden ist.
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Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Ausgangsschalter S4, der mit dem ersten Knotenpunkt 41 und mit dem ersten Phasenausgang 51 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten Ausgangsschalter S9, der mit dem zweiten Knotenpunkt 42 und mit dem zweiten Phasenausgang 52 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Ausgangsschalter S14, der mit dem dritten Knotenpunkt 43 und mit dem dritten Phasenausgang 53 verbunden ist.
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Bei entsprechender Ansteuerung der besagten Schalter S1 bis S15 kann der angeschlossene Verbraucher 50 wahlweise aus der ersten Batterie 21, aus der zweiten Batterie 22, sowie aus einer Serienschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist werden. Ebenso kann der Verbraucher 50 bei entsprechender Ansteuerung der Schalter S1 bis S15 von einer Parallelschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist werden. Dabei werden dem Verbraucher 50 alternierende Ausgangsspannungen U1, U2, U3 zugeführt, welche zueinander einen Phasenversatz aufweisen.
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In den folgenden Tabellen 1 bis 4 ist jeweils dargestellt, bei welcher Stellung der Schalter S1 bis S15 welche Ausgangsspannung U1, U2, U3 an den Strängen 61, 62, 63 des Verbrauchers 50 anliegt.
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Für alle Tabellen 1 bis 4 gilt:
| 1 | Schalter geschlossen |
| leer | Schalter offen |
| D | Schalter offen, aber Stromfluss parallel zum Schalter durch Diode 81 |
Tabelle 1: der Verbraucher 50 wird ausschließlich von der ersten Batterie 21 gespeist. Dann gilt: U = UB1
Tabelle 2: der Verbraucher 50 wird ausschließlich von der zweiten Batterie 22 gespeist. Dann gilt: U = UB2
Tabelle 3: der Verbraucher 50 wird von einer Serienschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist. Dann gilt: U = UB1 + UB2
Tabelle 4: der Verbraucher 50 wird von einer Parallelschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist. Dabei existieren mehrere Varianten.
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Sofern die erste Batteriespannung UB1 annähernd gleich der zweiten Batteriespannung UB2 ist liegt eine echte Parallelschaltung vor. Dann gilt: U = UB1 = UB2.
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Solange die erste Batteriespannung UB1 deutlich größer als die zweite Batteriespannung UB2 ist, so erfolgt kein Stromfluss durch die Diode 81. Der Verbraucher 50 wird ausschließlich von der ersten Batterie 21 gespeist. Dann gilt: U = UB1
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Falls die erste Batteriespannung UB1 deutlich kleiner als die zweite Batteriespannung UB2 ist, so darf keine Parallelschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 erfolgen. In diesem Fall verhindert eine hier nicht dargestellte Steuereinheit eine entsprechende Ansteuerung der der Schalter S1 bis S15 des Wechselrichters 10.
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2 zeigt schematisch den Aufbau eines Eingangsschalters S1, S6, S11, eines Ausgangsschalters S4, S9, S14, eines Sekundärknotenschalters S3, S8, S13 sowie eines Tertiärknotenschalters S5, S10, S15. Die besagten Schalter umfassen jeweils einen Transistor 80, welcher vorliegend als Bipolartransistor ausgeführt ist. Der Transistor 80 umfasst eine Basis B, einen Emitter E und einen Kollektor C. Der Transistor 80 kann auch als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgeführt sein und umfasst in diesem Fall eine Gate anstelle der Basis B.
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Zwischen dem Emitter E und dem Kollektor C ist eine Diode 81 parallel geschaltet. Die Basis B ist mit einer Ansteuereinheit 82 verbunden. Durch entsprechende Ansteuerung mittels der Ansteuereinheit 82 kann der Transistor 80 gesperrt oder leitend geschaltet werden. Entsprechend wird der betroffene Schalter geöffnet oder geschlossen.
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In 3 ist ein Primärknotenschalter S2, S7, S12 dargestellt. Abweichend von dem in 2 gezeigten Schalter umfasst der Primärknotenschalter S2, S7, S12 einen ersten Transistor 80 und einen zweiten Transistor 80 sowie eine erste Diode 81 und eine zweite Diode 81.
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Die beiden Transistoren 80 sind vorliegend als Bipolartransistor ausgeführt und umfassen jeweils eine Basis B, einen Emitter E und einen Kollektor C. Die Transistoren 80 können auch als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgeführt sein und umfassen in diesem Fall jeweils eine Gate anstelle der Basis B.
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Zwischen dem Emitter E und dem Kollektor C von jedem der beiden Transistoren 80 ist jeweils eine der beiden Dioden 81 parallel geschaltet. Die Basen B beider Transistoren 80 sind mit einer gemeinsamen Ansteuereinheit 82 verbunden. Beide Transistoren 80 werden von der gemeinsamen Ansteuereinheit 82 angesteuert.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012012048 A1 [0005]
- DE 102012212556 A1 [0006]
- DE 102013215572 A1 [0007]
- DE 102011056135 A1 [0008]
Tabelle 2: der Verbraucher 50 wird ausschließlich von der zweiten Batterie 22 gespeist. Dann gilt: U = UB2
Tabelle 3: der Verbraucher 50 wird von einer Serienschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist. Dann gilt: U = UB1 + UB2
Tabelle 4: der Verbraucher 50 wird von einer Parallelschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist. Dabei existieren mehrere Varianten.