DE102016112250A1 - Elektronisches System - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900), umfassend mehrere Schaltelemente (T) und mehrere Energiespeicherelemente (L; C), wobei die Energiespeicherelemente (L; C) über die Schaltelemente (T) miteinander verbunden sind, wobei die Energiespeicherelemente (L; C) durch Schaltung der Schaltelemente (T) wahlweise in einen ersten, einen zweiten oder einen dritten Zustand schaltbar sind, wobei die Energiespeicherelemente (L; C) im ersten Zustand in Reihe zueinander geschaltet sind, wobei die Energiespeicherelemente (L; C) im zweiten Zustand parallel zueinander geschaltet sind, und wobei die Energiespeicherelemente (L; C) im dritten Zustand überbrückt sind, wobei zwei der Energiespeicherelemente (L; C) jeweils über höchstens drei der Schaltelemente (T) verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches System mit mehreren Schaltelementen und mehreren Energiespeicherelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Um aus einem von einem Energiespeicherelement abgegebenen Gleichstrom einen Strom mit sich periodisch ändernder Spannungsamplitude zu erzeugen, werden Umrichter verwendet. Bei Umrichtern aus dem Stand der Technik werden Halbleiterelemente als Schaltelemente mit besonders kurzen Schaltfrequenzen verwendet.
  • Außerdem ist aus dem Stand der Technik eine auch als Multilevel- oder Multiniveauumrichter bezeichnete Technologie bekannt, bei der Einzelmodule mit jeweils einem Energiespeicherelement dynamisch während des Betriebs des Umrichters zwischen verschiedenen Zuständen verschaltet werden können. Die Module können seriell zueinander oder parallel zueinander geschaltet werden. Außerdem ist es möglich, die Module zu überbrücken. Eine Ausgangsspannung des Umrichters wird somit durch dynamisch durchgeführte Seriell- und Parallelschaltung der Energiespeicherelemente erzeugt.
  • Die Herstellungskosten bereits bekannter Multilevelumrichter werden unter anderem durch eine hohe Anzahl von Schaltelementen verursacht. Außerdem verursacht eine relativ hohe Anzahl an Schaltelementen auch einen relativ großen Energieverlust.
  • EP 2 408 081 A1 und EP 2 595 302 A1 offenbaren Multilevelumrichter, bei denen bipolare Umrichterzellen mit vier Schaltelementen und unipolare Umrichterzellen mit zwei Schaltelementen verbunden sind. Die Umrichterzellen können durch Schaltung der Schaltelemente in Reihe geschaltet oder überbrückt werden.
  • Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein flexibel schaltbares elektronisches System mit geringen Herstellungskosten und geringen Energieverlusten zu schaffen.
  • Das elektronische System umfasst mehrere Schaltelemente und mehrere Energiespeicherelemente. Die Energiespeicherelemente sind über Schaltelemente miteinander verbunden. Die Energiespeicherelemente sind in einen ersten, einen zweiten oder einen dritten Zustand schaltbar. Im ersten Zustand sind die Energiespeicherelemente in Reihe geschaltet. Im zweiten Zustand sind die Energiespeicherelemente parallel zueinander geschaltet. Im dritten Zustand sind die Energiespeicherelemente überbrückt. Zwei der Energiespeicherelemente sind jeweils über höchstens drei der Schaltelemente verbunden.
  • Durch die relativ geringe Anzahl an Schaltelementen, über die die Energiespeicherelemente miteinander verbunden sind, werden die Herstellungskosten des elektronischen Systems gering gehalten. Außerdem wird durch die Schaltbarkeit der Energiespeicherelemente in die drei verschiedenen Zustände eine relativ hohe Flexibilität erreicht.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das elektronische System als Umrichter ausgebildet sein. Der Umrichter kann insbesondere dazu ausgebildet sein, eine Spannung mit einer einzigen Polarität und einer periodisch veränderten Spannungsamplitude als Ausgangsspannung auszugeben. Die Energiespeicherelemente können zur Ausgabe einer Gleichspannung ausgebildet sein. Die Wandlung der Gleichspannung in die Ausgangsspannung erfolgt durch Schaltung der Schaltelemente in den ersten und den zweiten Zustand.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Schaltelemente und die Energiespeicherelemente modular miteinander verbindbar sein. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass eines der Energiespeicherelemente zusammen mit mehreren der Schaltelemente ein Modul bildet. Dieses Modul kann beispielsweise ein Gehäuse umfassen, in dem Schaltelemente und das Energiespeicherelement des Moduls angeordnet sind. Durch die modulare Verbindbarkeit wird eine hohe Flexibilität des elektronischen Systems erreicht.
  • Beispielsweise können jeweils eines der Energiespeicherelemente und drei der Schaltelemente in dem Gehäuse eines Moduls angeordnet sein. Mit derartigen Modulen kann das elektronische System lediglich durch Verbindung mehrerer Module miteinander aufgebaut werden. Eine Veränderung des Systems durch Hinzufügung eines weiteren Moduls oder Entfernung eines Moduls ist dann besonders einfach und komfortabel.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das System ein Steuerelement umfassen, das dazu ausgebildet ist, die Schaltelemente zu schalten. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die vom elektronischen System ausgegebene Ausgangsspannung besonders genau an die Erfordernisse anzupassen.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Energiespeicherelemente als Kondensatoren, Batteriezellen, Solarzellen und/oder elektromagnetische Energiespeicher ausgebildet sein. Ein elektromagnetischer Energiespeicher kann beispielsweise eine Spule umfassen, in der elektromagnetische Energie gespeichert werden kann.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Schaltelemente als mechanische Schalter, als Transistoren und/oder als Thyristoren ausgebildet sein. Die Verwendung von Transistoren und/oder Thyristoren ist insbesondere vorteilhaft, um besonders kurze Schaltzeiten erreichen zu können.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das elektronische System zumindest ein Deaktivierungselement umfassen, das einem der Energiespeicherelemente zugeordnet ist. Das Energiespeicherelement kann durch das Deaktivierungselement in einen deaktivierten Zustand schaltbar sein. Unter dem deaktivierten Zustand wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass das Energiespeicherelement höchstens noch über einen elektrischen Anschluss mit den anderen Energiespeicherelementen und den Schaltelementen verbunden ist, sodass kein elektrischer Strom durch das deaktivierte Energiespeicherelement fließen kann.
  • Das Deaktivierungselement kann beispielsweise ähnlich oder gleich ausgebildet sein wie die Schaltelemente. Es ist auch möglich, dass das Deaktivierungselement als Sicherung ausgebildet ist, die das dem Deaktivierungselement zugeordnete Energiespeicherelement bei einem zu großen Stromfluss deaktiviert. Der zu große Stromfluss kann auf einen Defekt des Energiespeicherelements zurückzuführen sein, sodass durch die Deaktivierung eine Beschädigung von anderen Komponenten des elektronischen Systems verhindert werden kann. Die Ausbildung des Deaktivierungselements ähnlich oder gleich den Schaltelementen ist insbesondere vorteilhaft, um das dem Deaktivierungselemente zugeordnete Energiespeicherelement zu deaktivieren, wenn ein Defekt festgestellt worden ist.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung können bei einer Parallelschaltung von ersten Energiespeicherelementen der Energiespeicherelemente zweite Energiespeicherelemente der Energiespeicherelemente überbrückbar sein. Hierdurch wird weiter die Flexibilität des elektronischen Systems erhöht. Es können beispielsweise die zweiten Energiespeicherelemente geschont werden, während die ersten Energiespeicherelemente parallel zueinander geschaltet werden.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die zweiten Energiespeicherelemente durch Schaltung eines der Schaltelemente überbrückbar sein. Es ist insbesondere möglich, dass die zweiten Energiespeicherelemente durch Schaltung genau eines einzigen der Schaltelemente überbrückbar sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Überbrückung der zweiten Energiespeicherelemente.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann bei Überbrückung der zweiten Energiespeicherelemente ein drittes Energiespeicherelement der Energiespeicherelemente parallel zu den ersten Energiespeicherelementen schaltbar sein. Dies erhöht weiter die Flexibilität des elektronischen Systems.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Schaltelemente werden nachfolgend mit dem Buchstaben T, Energiespeicherelemente mit den Buchstaben L oder C bezeichnet. Durch eine dem jeweiligen Buchstaben nachfolgende Zahl können die Elemente voneinander unterschieden werden.
  • 1 zeigt ein elektronisches System mit mehreren Energiespeicherelementen und Schaltelementen nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt das elektronische System aus 1, bei dem jeweils einige der Schaltelemente mit jeweils einem der Energiespeicherelemente Bestandteil eines Moduls sind.
  • 3 zeigt ein elektronisches System nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 zeigt ein elektronisches System nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 zeigt ein elektronisches System nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 zeigt ein elektronisches System nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 zeigt ein elektronisches System nach einer Ausführungsform der Erfindung mit der Möglichkeit erste der Energiespeicherelemente parallel zueinander zu schalten und zweite der Energiespeicherelemente zu überbrücken.
  • 8 zeigt das elektronische System aus 7 mit einem weiteren Energiespeicherelement.
  • 9 zeigt ein elektronisches System nach einer Ausführungsform der Erfindung mit der Möglichkeit erste der Energiespeicherelemente parallel zueinander zu schalten und zweite der Energiespeicherelemente zu überbrücken mit einem weiteren Energiespeicherelement.
  • Das in 1 dargestellte elektronische System 100 umfasst mehrere Schaltelemente T1 bis T15 und mehrere Energiespeicherelemente C1 bis C5. Die Schaltelemente T1 bis T15 sind beim elektronischen System 100 als Halbleiterschalter in Form von Transistoren ausgebildet. Die Schaltelemente T1 bis T15 können in einen stromleitenden und in einen nicht stromleitenden Zustand geschaltet werden. Nachfolgend wird lediglich beschrieben, welche Schaltelemente in den stromleitenden Zustand geschaltet werden. Die nicht erwähnten Schaltelemente sind in den nicht stromleitenden Zustand geschaltet.
  • Das elektronische System 100 umfasst außerdem zwei Eingangsterminals, die mit dem Energiespeicherelement C1 verbunden sind, und zwei Ausgangsterminals, von denen einer mit dem Schaltelement T13 und einer mit den beiden Schaltelementen T14 und T15 verbunden ist. Es ist jedoch auch möglich, das elektronische System 100 in umgekehrter Reihenfolge zu verschalten, sodass einer der Eingangsterminals mit dem Schaltelement T13 und der andere Eingangsterminal mit den beiden Schaltelementen T14 und T15 verbunden ist. In diesem Fall sind die Ausgangsterminals mit dem Energiespeicherelement C1 verbunden.
  • Jedes der Energiespeicherelemente C1 bis C5 weist einen ersten und einen zweiten Anschluss auf. Zwei der Energiespeicherelemente C1 bis C5 sind jeweils über drei der der Schaltelemente T1 bis T12 verbunden. Dabei sind jeweils die ersten Anschlüsse über eines der Schaltelemente T1, T4, T7 und T10 miteinander verbunden. Die zweiten Anschlüsse sind jeweils über eines der Schaltelemente T3, T6, T9 und T12 miteinander verbunden.
  • Der zweite Anschluss des Energiespeicherelements C2 ist mit dem ersten Anschluss des Energiespeicherelements C1 über das Schaltelement T2 verbunden. In ähnlicher Weise sind die zweiten Anschlüsse der Energiespeicherelemente C3 bis C5 jeweils mit dem ersten Anschluss des vorangegangenen Energiespeicherelements C2 bis C4 über die Schaltelemente T5, T8 und T11 verbunden.
  • Das Energiespeicherelement C5 ist über die Schaltelemente T13 bis T15 mit den beiden Ausgangs- bzw. Eingangsterminals verbunden.
  • Die Verschaltung des elektronischen Systems 100 ermöglicht, die Energiespeicherelemente C1 bis C5 in drei verschiedene Zustände zu schalten. Die Energiespeicherelemente C1 bis C5 können in Reihe geschaltet werden, wenn die Schaltelemente T2, T5, T8, T11 und T14 stromleitend geschaltet werden. Die Energiespeicherelemente C1 bis C5 können parallel zueinander geschaltet werden, wenn die Schaltelemente T1, T3, T4, T6, T7, T9, T10, T12, T13 und T15 stromleitend geschaltet werden. Die Energiespeicherelemente C1 bis C5 können überbrückt werden, wenn die Schaltelemente T3, T6, T9, T12 und T15 stromleitend geschaltet werden. Alternativ können die Energiespeicherelemente C1 bis C5 auch überbrückt werden, wenn die Schaltelemente T1, T4, T7, T13 und T13 stromleitend geschaltet werden. Wenn keines der Schaltelemente T1 bis T15 stromleitend geschaltet wird, ist das elektronische System 100 deaktiviert. Es wird weder Strom aus den Energiespeicherelementen C1 bis C5 abgegeben noch wird Strom in den Energiespeicherelementen C1 bis C5 gespeichert. In diesem Zustand kann kein Strom durch das elektronische System 100 geleitet werden.
  • Durch geeignete Schaltung der Schaltelemente T1 bis T15 kann das elektronische System 100 als Umrichter betrieben werden, der aus den Gleichspannungen der Energiespeicherelemente C1 bis C5 eine an den Ausgangsterminals anliegende Spannung mit periodischem Spannungsamplitudenverlauf erzeugt.
  • In 2 ist beispielhaft dargestellt, wie einige der Schaltelemente T1 bis T15 und der Energiespeicherelemente C1 bis C5 des elektronischen Systems 100 zu Modulen 200, 201 und 202 zusammengefasst werden können. Jedes der Module 200, 201 und 202 umfasst eines der Energiespeicherelemente C1 bis C5 und drei der Schaltelemente T1 bis T15. Das Modul 200 umfasst das Energiespeicherelement C1 und die Schaltelemente T1 bis T3. Das Modul 201 umfasst das Energiespeicherelement C3 und die Schaltelemente T4 bis T7. Das Modul 202 umfasst das Energiespeicherelement C5 und die Schaltelemente T10, T14 und T15.
  • Durch jeweils gleiche Module 200, 201 oder 202 kann das elektronische System 100 in einfacher Art und Weise modular aufgebaut sein. Dies erlaubt ein besonders einfaches Hinzufügen oder Entfernen von Modulen und eine hohe Flexibilität.
  • Das elektronische System 300 aus 3 unterscheidet sich von dem elektronischen System 100 aus den 1 und 2 insbesondere dadurch, dass das Schaltelement T13 nicht vorhanden ist. Auf das Schaltelement T13 kann verzichtet werden, da das elektronische System 300 nur einen Ausgangs- und einen Eingangsterminal umfasst. Der Ausgangs- bzw. Eingangsterminal, ist dann über die Schaltelemente T14 und T15 mit dem Energiespeicherelement C5 verbunden.
  • Wie in 4 zu sehen ist, ist es auch möglich, dass bei lediglich einem Ausgangs- und Eingangsterminal neben dem Schaltelement T13 auch die Schaltelemente T14 und T15 nicht vorhanden sind. Das Energiespeicherelement C5 ist dann direkt mit dem Ausgangs- bzw. Eingangsterminal verbunden.
  • Das in 5 dargestellte elektronische System 500 umfasst Schaltelemente T1 bis T15 und elektromagnetische Energiespeicherelemente L1 bis L5, die in der gleichen Weise miteinander verbunden sind wie die Schaltelemente T1 bis T15 und die Energiespeicherelemente C1 bis C5 des elektronischen Systems 100. Im elektronischen System 500 sind die Schaltelemente T1 bis T15 als Thyristoren ausgebildet.
  • Das in 6 dargestellte elektronische System 600 unterscheidet sich von dem elektronischen System 500 insbesondere dadurch, dass als Schaltelemente T1 bis T15 Transistoren (z.B. Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) verwendet werden.
  • Bei dem in 7 dargestellten elektronischen System 700 werden im Vergleich mit dem elektronischen System 100 aus 1 weitere Schaltelemente T16 bis T18 verwendet, um eine Überbrückung der Energiespeicherelemente C2 und C3 bei gleichzeitiger Parallelschaltung der Energiespeicherelemente C1, C4 und C5 zu ermöglichen, indem die Schaltelemente T1, T3, T6, T9, T10, T12, T13, T15 und T16 in den stromleitenden Zustand geschaltet werden.
  • Eine Parallelschaltung der Energiespeicherelemente C1 und C5 bei gleichzeitiger Überbrückung der Energiespeicherelemente C2 bis C4 kann erreicht werden, indem die Schaltelemente T1, T3, T6, T9, T10, T12, T13, T15, T16 und T17 in den stromleitenden Zustand geschaltet werden.
  • Eine Parallelschaltung der Energiespeicherelemente C1, C3, C4 und C5 bei gleichzeitiger Überbrückung des Energiespeicherelements C2 kann erreicht werden, indem die Schaltelemente T1, T3, T6, T7 T9, T10, T12, T13, T15 und T16 in den stromleitenden Zustand geschaltet werden.
  • Das in 8 dargestellte elektronische System 800 unterscheidet sich von dem elektronischen System 700 aus 7 insbesondere durch das hinzugefügte Energiespeicherelement C6, das in Serie zum Energiespeicherelement C2 geschaltet ist. Beim elektronischen System ist eine Überbrückung des Energiespeicherelements C2 daher nicht mehr möglich. Die Energiespeicherelemente C3 und C4 können jedoch weiterhin wie zuvor beschrieben überbrückt werden.
  • Das in 9 dargestellte elektronische System 900 unterscheidet sich vom elektronischen System 800 aus 8 insbesondere durch die Position des Energiespeicherelements C6. Es ist nicht in Serie zum Energiespeicherelement C2 geschaltet, sondern einzeln durch Schaltung der Schaltelemente T16 und T19 in den stromleitenden Zustand angesteuert werden. Es kann bei Überbrückung der Energiespeicherelemente C2 bis C4 als Energiequelle verwendet werden.
  • 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 2408081 A1 [0005]
    • EP 2595302 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900), umfassend mehrere Schaltelemente (T) und mehrere Energiespeicherelemente (L; C), wobei die Energiespeicherelemente (L; C) über die Schaltelemente (T) miteinander verbunden sind, wobei die Energiespeicherelemente (L; C) durch Schaltung der Schaltelemente (T) wahlweise in einen ersten, einen zweiten oder einen dritten Zustand schaltbar sind, wobei die Energiespeicherelemente (L; C) im ersten Zustand in Reihe zueinander geschaltet sind, wobei die Energiespeicherelemente (L; C) im zweiten Zustand parallel zueinander geschaltet sind, und wobei die Energiespeicherelemente (L; C) im dritten Zustand überbrückt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Energiespeicherelemente (L; C) jeweils über höchstens drei der Schaltelemente (T) verbunden sind.
  2. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900)nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) als Umrichter ausgebildet ist.
  3. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T) und die Energiespeicherelemente (L; C) modular miteinander verbindbar sind.
  4. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Steuerelement umfasst, das dazu ausgebildet ist, die Schaltelemente (T) zu schalten.
  5. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherelemente (L; C) als Kondensatoren, Batteriezellen, Solarzellen und/oder elektromagnetische Energiespeicher ausgebildet sind.
  6. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T) als mechanische Schalter, als Transistoren und/oder als Thyristoren ausgebildet sind.
  7. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zumindest ein Deaktivierungselement umfasst, das einem der Energiespeicherelemente (L; C) zugeordnet ist, wobei das Energiespeicherelement (L; C) durch das Deaktivierungselement in einen deaktivierten Zustand schaltbar ist.
  8. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Parallelschaltung von ersten Energiespeicherelementen (L; C) der Energiespeicherelemente (L; C) zweite Energiespeicherelemente (L; C) der Energiespeicherelemente (L; C) überbrückbar sind.
  9. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Energiespeicherelemente (L; C) durch Schaltung zumindest eines der Schaltelemente (T) überbrückbar sind.
  10. Elektronisches System (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900) nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überbrückung der zweiten Energiespeicherelemente (L; C) ein drittes Energiespeicherelement (L; C) der Energiespeicherelemente (L; C) parallel zu den ersten Energiespeicherelementen (L; C) schaltbar ist.
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