DE102017130387A1 - Umrichter-Vorrichtung, Anordnung mit mehreren solcher Umrichter-Vorrichtungen sowie Verfahren zum Betreiben einer Umrichter-Vorrichtung - Google Patents

Umrichter-Vorrichtung, Anordnung mit mehreren solcher Umrichter-Vorrichtungen sowie Verfahren zum Betreiben einer Umrichter-Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umrichter-Vorrichtung (17) zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung an einer Eingangsseite in eine Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite, aufweisend:
- wenigstens einen Gleichspannungswandler (14) zum Wandeln der Eingangsgleichspannung in eine erste gewandelte Gleichspannung,
- wenigstens einen Resonanzwandler (15) zum Wandeln der ersten gewandelten Gleichspannung in eine zweite gewandelte Gleichspannung, wobei der Resonanzwandler (15) einen Transformator zur galvanischen Trennung der Eingangsseite und der Ausgangsseite aufweist, und
wobei die zweite gewandelte Gleichspannung als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgebbar ist.
Ferner werden eine Anordnung mit solchen Umrichter-Vorrichtung (17) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Umrichter-Vorrichtung (17) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Umrichter-Vorrichtung zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung an einer Eingangsseite in eine Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Umrichter-Vorrichtung. Zudem wird eine Anordnung mehrerer solcher Umrichter-Vorrichtungen beschrieben, wobei die Umrichter-Vorrichtungen mit ihren jeweiligen Eingangsseiten parallel an einer oder mehreren Gleichspannungsleitungen eines ersten Gleichspannungsnetzes angeschlossen sind und mit ihren jeweiligen Ausgangsseiten an einer oder mehreren Gleichspannungsleitungen eines zweiten Gleichspannungsnetzes bzw. an einer oder mehreren Wechselspannungsleitungen eines Wechselspannungsnetzes angeschlossen sind.
  • Es gibt mehrere klassische Möglichkeiten elektrische Netze zu koppeln. Z.B. können Batterien an ein elektrisches Netz anzuschließen sein. Gemäß einer ersten klassischen Lösung des Stands der Technik werden viele Zellen innerhalb einer Batterie in Serie geschaltet, so dass eine möglichst hohe Gesamtspannung im System entsteht. Mittels einer Wandler-Einheit, z.B. einer B4- oder einer B6-Brücke, kann dann aus der hohen Spannung direkt ein Wechsel- oder Drehspannungssystem erzeugt werden. Bei dieser ersten klassischen Lösung müssen viele Zellen oder Zellmodule in Reihe geschaltet werden. Jede einzelne Zelle bzw. Modul muss überwacht werden. Fällt eine Zelle / ein Modul aus ist die komplette Batterie nicht mehr einsetzbar. Beim Laden und Entladen kann die Batterie nur soweit geladen oder entladen werden bis die erste Zelle / das erste Modul in ihren / seinen Grenzbereich kommt. Alle anderen Zellen haben noch ungenützte Ladekapazität bzw. Ladung die nicht verwendet werden kann. Aufwendige Filtereinrichtungen sind bei dieser Topologie auf der Netzseite zu verwenden um EMV-Normen einzuhalten. Dies macht die leistungselektronischen Schaltungen groß, schwer und teuer.
  • Gemäß einer zweiten klassischen Lösung des Stands der Technik können Batteriesysteme, insbesondere im Schutzkleinspannungsbereich (z.B. Wechselspannung ≤ 50 V und Gleichspannung ≤ 120 V), mit einer entsprechenden B4- oder B6-Brücke in ein Wechsel- oder Drehspannungssystem niederer Spannung einspeisen. Die Transformation der Spannung kann über einen Transformator erfolgen. Dieser kann dann sekundärseitig an das entsprechende elektrische Netz angeschlossen werden. Bei dieser zweiten klassischen Lösung muss ein großer Netztransformator verwendet werden, der mit der Netzfrequenz arbeitet. Solche Transformatoren sind sehr groß, schwer und kostspielig.
  • Gemäß einer dritten klassischen Lösung des Stands der Technik werden kleine Batteriespannungen z.B. mittels eines Hochsetzstellers auf eine hohe Zwischenspannung gesetzt. Von dieser kann dann mittels einer B4- oder B6-Brücke ein Wechsel- oder Drehspannungssystem hoher Spannung erzeugt werden. Bei dieser dritten klassischen Lösung ist der Wirkungsgrad durch die Kombination aus Hochsetzsteller und B4-/B6-Brücke deutlich geringer als bei der ersten und zweiten klassischen Lösung. Die passiven Bauteile sind groß, schwer und teuer.
    Bei der ersten und dritten Lösung sind zudem die Batterien galvanisch mit dem Netz verbunden was in einigen Anwendungen zu sicherheitskritischen Zuständen führen kann und unter Umständen nicht erlaubt ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine sehr effektive Wandlung von einer Eingangsgleichspannung, insbesondere Schutzkleinspannung, in eine Ausgangsspannung, insbesondere hohe Ausgangsspannung im Niederspannungsbereich (z.B. Wechselspannungen bis 1000 Volt und Gleichspannungen bis 1500 Volt) zu ermöglichen, die die Nachteile der klassischen Lösungen des Stands der Technik überwindet. Die verwendeten Komponenten und Bauteile sollen hierbei klein, leicht und preiswert sein.
  • Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch eine Umrichter-Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.
  • Die Umrichter-Vorrichtung ist zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung an einer Eingangsseite in eine Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite eingerichtet und weist folgende Komponenten auf:
    • - wenigstens einen Gleichspannungswandler zum Wandeln der Eingangsgleichspannung in eine erste gewandelte Gleichspannung,
    • - wenigstens einen Resonanzwandler zum Wandeln der ersten gewandelten Gleichspannung in eine zweite gewandelte Gleichspannung, wobei der Resonanzwandler einen Transformator zur galvanischen Trennung der Eingangsseite und der Ausgangsseite aufweist, und wobei die zweite gewandelte Gleichspannung als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgebbar ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller betreibbar zum Wandeln der Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung niedrigere erste gewandelte Gleichspannung. Alternativ kann der Gleichspannungswandler als Hochsetzsteller betreibbar sein zum Wandeln der Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung höhere erste gewandelte Gleichspannung. Weiter alternativ kann der Gleichspannungswandler als Hoch-/Tiefsetzsteller betreibbar sein zum Wandeln der Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung alternativ (zeitweise) höhere oder (zeitweise) niedrigere erste gewandelte Gleichspannung.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler eingerichtet, eine gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung zu erzeugen. Je nachdem, ob der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller betreibbar ist, wandelt dieser die Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung niedrigere oder höhere gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung. Wird der Gleichspannungswandler dagegen als Hoch-/Tiefsetzsteller betrieben, kann dieser die Eingangsgleichspannung in eine gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung wandeln, die zeitweise über und zeitweise unter der Eingangsgleichspannung liegt. Das bedeutet, dass die gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung um einen Wert der Eingangsgleichspannung (z.B. 48 V DC) herum schwankt. Dies hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad optimiert werden kann, weil die erste Gleichspannung nicht stark von der Eingangsgleichspannung abweicht. Z.B. kann der Gleichspannungswandler die gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung derart vorgeben, dass sie bei einem Wert der Eingangsgleichspannung von 48 V DC zwischen einem unteren Wert von 10 V und einem oberen Wert von 70 V pulsiert.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Gleichspannungswandler eingerichtet, die erste gewandelte Gleichspannung variabel einzustellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Gleichspannungswandler als Schaltwandler eingerichtet, der mit einer variablen Schaltfrequenz, insbesondere einer Schaltfrequenz im kHz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von 100 bis 500 kHz, vorzugsweise 200 kHz, betreibbar ist. Der Gleichspannungswandler kann resonant mit einer (oder mehreren) bestimmten Schaltfrequenzen betrieben werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Gleichspannungswandler bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betreibbar. Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Gleichspannungswandler von der Ausgangsseite in Richtung der Eingangsseite als Hochsetzsteller betreibbar zum Wandeln einer gegenüber einer Gleichspannung an der Eingangsseite niedrigeren ersten Gleichspannung in die Gleichspannung an der Eingangsseite. Allgemein kann der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite und dementsprechend als Hochsetzsteller zwischen der Ausgangsseite und der Eingangsseite oder umgekehrt betrieben werden. Es ist auch möglich, den Gleichspannungswandler jeweils als Hoch-/Tiefsetzsteller in beiden Richtungen zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite zu betreiben.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Resonanzwandler eingerichtet zum Wandeln der ersten gewandelten Gleichspannung in eine gegenüber der ersten gewandelten Gleichspannung höhere zweite gewandelte Gleichspannung.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Resonanzwandler als Serienresonanzwandler, insbesondere als LLC-Resonanzwandler oder als CLLC-Resonanzwandler eingerichtet.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Transformator als Hochfrequenz-Transformator, insbesondere für Schaltfrequenzen im kHz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von 100 bis 500 kHz, eingerichtet.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Resonanzwandler bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betreibbar.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung ist der Resonanzwandler von der Ausgangsseite in Richtung der Eingangsseite betreibbar zum Wandeln einer gegenüber einer ersten Gleichspannung höheren zweiten Gleichspannung in die erste Gleichspannung.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Umrichter-Vorrichtung ferner wenigstens eine Wandler-Einheit auf zum Wandeln der zweiten gewandelten Gleichspannung in eine dritte gewandelte Gleichspannung. Die dritte gewandelte Gleichspannung ist als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgebbar. Die Wandler-Einheit kann bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betreibbar eingerichtet sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Umrichter-Vorrichtung weist die Umrichter-Vorrichtung mehrere Resonanzwandler sowie eine Verschaltungssteuerung auf. In einem ersten Betriebsmodus sind zwei oder mehr der Resonanzwandler vermittels der Verschaltungssteuerung an den Sekundärseiten ihrer jeweiligen Transformatoren parallel an Ausgangsleitungen der Ausgangsseite schaltbar. In einem zweiten Betriebsmodus sind mehrere, insbesondere zwei, der Resonanzwandler vermittels der Verschaltungssteuerung an den Sekundärseiten ihrer jeweiligen Transformatoren in Serie schaltbar, wobei die so in Serie geschalteten Resonanzwandler einen gemeinsamen Resonanzwandler-Ausgang bilden, der an die Ausgangsleitungen der Ausgangsseite schaltbar ist. Die Umrichter-Vorrichtung kann vermittels der Verschaltungssteuerung wechselweise zwischen den beiden Betriebsmodi schaltbar eingerichtet sein.
  • Eine Umrichter-Vorrichtung der oben erläuterten Art ermöglicht eine effiziente elektrische Energiespeicherung (z.B. in an einem Gleichspannungsnetz angeschlossenen Batteriespeichern) und eine effiziente elektrische Energiewandlung. Dabei liegt der Wirkungsgrad der Umrichter-Vorrichtung sehr hoch und ist nahezu unabhängig vom Arbeitspunkt. Die Umrichter-Vorrichtung kann kompakt im Volumen und mit einem geringen Gewicht aufgebaut werden. Die verwendeten Bauteile sollen möglichst preiswert in großer Anzahl verfügbar sein.
  • Bedingt durch den Einsatz von, insbesondere bzw. vorteilhaft resonanten, weichschaltenden Topologien bzw. Komponenten der Umrichter-Vorrichtung können die Schaltfrequenzen hoch gewählt werden, insbesondere deutlich erhöht werden im Vergleich zu Lösungen gemäß dem Stand der Technik. Beispielweise können die Schaltfrequenzen von typischen 20-60 kHz auf 100 bis 500 kHz erhöht werden. Die passiven Bauteile können dadurch stark verkleinert werden und der Aufbau wird kompakt und preiswert. Insbesondere im Schutzkleinspannungsbereich können preiswerte Industrie- als auch Automotivbauteile verwendet werden. Diese haben sehr geringe Innenwiderstände und können sehr schnell und exakt schalten. Dadurch werden die Verluste minimiert. Die Einstellung der Schaltfrequenzen der Komponenten kann in Abhängigkeit vom jeweiligen Arbeitspunkt der Komponenten erfolgen. Dies ermöglicht einen nahezu konstanten Wirkungsgrad über fast den kompletten Arbeitsbereich der Umrichter-Vorrichtung. Trotz der mehreren (in Serie geschalteten) Wandlerstufen (Gleichspannungswandler, Resonanzwandler und ggf. ergänzend eine oder mehrere zusätzliche Wandler-Einheiten) liegt der Gesamtwirkungsgrad bei etwa 95% in einem Arbeitsbereich von 10% bis 100% der Ausgangsleistung.
  • Dieses Verhalten ist optimal für die Wandlung von Spannungen im Bereich regenerativer Energien, Batteriespeicher und Ladesäulen, da diese Anwendungen sehr oft im Teillastbereich gefahren werden und trotzdem sehr hohe Wirkungsgradanforderungen erfüllen sollten.
  • Die obige Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 15 mit mehreren Umrichter-Vorrichtungen der oben erläuterten Art gelöst, wobei die Umrichter-Vorrichtungen mit ihren jeweiligen Eingangsseiten parallel an einer oder mehreren Gleichspannungsleitungen eines ersten Gleichspannungsnetzes angeschlossen sind und mit ihren jeweiligen Ausgangsseiten an einer oder mehreren Gleichspannungsleitungen eines zweiten Gleichspannungsnetzes bzw. an einer oder mehreren Wechselspannungsleitungen eines Wechselspannungsnetzes angeschlossen sind. Durch eine derartige Anordnung ist eine effiziente Energiewandlung und Energieverteilung zwischen diversen (Insel-) Netzen möglich. Verschiedenste Energiequellen (Erzeuger) und Energiesenken (Verbraucher) können auf diese Weise vermittels der diversen (Insel-) Netze verschaltet werden. Die Umrichter-Vorrichtungen fungieren dabei als Energieverteiler zwischen den diversen Erzeugern und Verbrauchern. Erzeuger können z.B. regenerative Energieanlagen, wie Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher, usw. sein. Verbraucher können Elektrofahrzeuge oder sonstige Wechselspannungs- bzw. Gleichspannungsverbraucher eines oder mehrerer Wechselspannungsnetze bzw. Gleichspannungsnetze sein.
  • Die obige Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16 zum Betreiben einer Umrichter-Vorrichtung zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung an einer Eingangsseite in eine Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite gelöst. Dabei weist die Umrichter-Vorrichtung wenigstens einen Gleichspannungswandler und wenigstens einen Resonanzwandler auf. Der Resonanzwandler weist einen Transformator zur galvanischen Trennung der Eingangsseite und der Ausgangsseite auf. Der Gleichspannungswandler wandelt eine Eingangsgleichspannung an der Eingangsseite in eine erste gewandelte Gleichspannung und der Resonanzwandler wandelt die erste gewandelte Gleichspannung in eine zweite gewandelte Gleichspannung, wobei die zweite gewandelte Gleichspannung als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgegeben werden kann.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens arbeitet der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller und wandelt die Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung niedrigere erste gewandelte Gleichspannung. Alternativ kann der Gleichspannungswandler als Hochsetzsteller arbeiten und die Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung höhere erste Gleichspannung wandeln. Weiter alternativ kann der Gleichspannungswandler als Hoch-/Tiefsetzsteller arbeiten und die Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung zeitweise höhere oder zeitweise niedrigere erste Gleichspannung wandeln.
  • In einer Implementierung des Verfahrens erzeugt der Gleichspannungswandler eine gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung. Je nachdem, ob der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller arbeitet, wandelt dieser die Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung niedrigere oder höhere gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung. Arbeitet der Gleichspannungswandler dagegen als Hoch-/Tiefsetzsteller, kann dieser die Eingangsgleichspannung in eine gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung wandeln, die zeitweise über und zeitweise unter der Eingangsgleichspannung liegt. Das bedeutet, dass die gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung um einen Wert der Eingangsgleichspannung (z.B. 48 V DC) herum schwankt. Dies hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad optimiert werden kann, weil die erste Gleichspannung nicht stark von der Eingangsgleichspannung abweicht. Z.B. kann der Gleichspannungswandler die gepulste bzw. pulsierende erste Gleichspannung derart vorgeben, dass sie bei einem Wert der Eingangsgleichspannung von 48 V DC zwischen einem unteren Wert von 10 V und einem oberen Wert von 70 V pulsiert.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens stellt der Gleichspannungswandler die erste gewandelte Gleichspannung variabel ein.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens arbeitet der Gleichspannungswandler als Schaltwandler und wird mit einer variablen Schaltfrequenz, insbesondere einer Schaltfrequenz im kHz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von 100 bis 500 kHz, vorzugsweise 200 kHz, angesteuert.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens wandelt der Resonanzwandler die erste gewandelte Gleichspannung in eine gegenüber der ersten gewandelten Gleichspannung höhere zweite gewandelte Gleichspannung.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens weist die Umrichter-Vorrichtung ferner wenigstens eine Wandler-Einheit auf, wobei die Wandler-Einheit die zweite gewandelte Gleichspannung in eine dritte gewandelte Gleichspannung wandelt. Die dritte gewandelte Gleichspannung kann als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgegeben werden.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens wird die Wandler-Einheit bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betrieben.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens wird der Gleichspannungswandler resonant betrieben.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens wird der Gleichspannungswandler bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betrieben. Der Gleichspannungswandler kann als Tiefsetzsteller zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite und dementsprechend als Hochsetzsteller zwischen der Ausgangsseite und der Eingangsseite oder umgekehrt betrieben werden. Es ist auch möglich, den Gleichspannungswandler jeweils als Hoch-/Tiefsetzsteller in beiden Richtungen zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite zu betreiben.
  • In einer weiterführenden Implementierung des Verfahrens wird der Resonanzwandler bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betrieben.
  • Auch ein Verfahren der oben erläuterten Art erzielt die weiter oben im Zusammenhang mit einer Umrichter-Vorrichtung bzw. einer Anordnung mit mehreren Umrichter-Vorrichtungen dargestellten Vorteile. Sämtliche Merkmale, Aspekte und Weiterbildungen der oben erläuterten Umrichter-Vorrichtung bzw. Anordnung mit mehreren Umrichter-Vorrichtungen können in entsprechenden Maßnahmen und Implementierungen des erläuterten Verfahrens Niederschlag finden und umgekehrt.
  • Die Erfindung wird anhand mehrere Zeichnungen nachfolgend näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Netzverschaltung diverser Komponenten gemäß dem Stand der Technik,
    • 2 eine Netzverschaltung diverser Komponenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
    • 3 eine erste Ausführungsform einer Umrichter-Vorrichtung gemäß der Erfindung,
    • 4 eine zweite Ausführungsform einer Umrichter-Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebsmodus,
    • 5 die Ausführungsform gemäß 4 in einem zweiten Betriebsmodus und
    • 6 eine Anordnung mehrerer Umrichter-Vorrichtungen gemäß 4 bzw. 5.
  • 1 zeigt eine Netzverschaltung diverser Komponenten gemäß dem Stand der Technik. Eine Photovoltaikanlage 1 ist über eine Wandler-Einheit 2 (Wechselrichter) angebunden. Die Wandler-Einheit 2 wandelt eine von der Photovoltaikanlage 1 erzeugte Gleichspannung um in eine Wechselspannung. Die Wechselspannung kann über ein Wechselspannungsnetz einem Ladepunkt 5, wie z.B. einer Kfz-Ladesäule, bereitgestellt werden. Ein daran angeschlossenes Auto 6 (Elektrofahrzeug) kann somit geladen werden. Die Wechselspannung kann über das Wechselspannungsnetz auch einem Wechselspannungs-Anschlusspunkt 7 bereitgestellt werden. Über den Wechselspannungs-Anschlusspunkt 7 können Wechselspannungs-Verbraucher angebunden sein. Ferner ist auch ein Batteriespeicher 4 über eine Wandler-Einheit 3 (Wechselrichter) angebunden. Die Wandler-Einheit 3 wandelt eine vom Batteriespeicher 4 erzeugte Gleichspannung um in eine Wechselspannung. Auch diese Wechselspannung kann über das Wechselspannungsnetz den Komponenten 5 bzw. 6 oder 7 bereitgestellt werden. Eine Topologie gemäß 1 ist nachteilig bzgl. einem oder mehreren der Faktoren Wandlungseffizienz, Baugröße, Gewicht und Kosten der Wandlungs-Einheiten, Batteriespeicher-Management, Auslastung, Belastung, Lebensdauer, Kosten des Batteriespeichers 4, sowie Flexibilität der Topologie hinsichtlich einer Energieverteilung zwischen diversen Erzeugern und Verbrauchern.
  • 2 zeigt eine Netzverschaltung diverser Komponenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Photovoltaikanlage 1 ist über eine Wandler-Einheit 9 (Gleichspannungswandler, z.B. Hoch-/Tiefsetzsteller) an ein Gleichspannungsnetz 13 angebunden. Die Wandler-Einheit 9 wandelt eine von der Photovoltaikanlage 1 erzeugte erste Gleichspannung um in eine zweite Gleichspannung. Die Wandler-Einheit 9 kann beispielsweise als Maximum-Power-Point (MPP) Tracker arbeiten, um den Arbeitspunkt bzw. die Leistungsentnahme aus der Photovoltaikanlage 1 zu optimieren. Der Wandler-Einheit 9 sind am Gleichspannungsnetz 13 mehrere weitere Wandler- bzw. Umrichter-Vorrichtungen 10, 11 und 12 parallel geschaltet. Die Umrichter-Vorrichtung 10 führt eine Wechselrichtung einer Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes 13 in eine Wechselspannung aus. Beispielhaft wird diese Wechselspannung einem Wechselspannungs-Anschlusspunkt 7 bereitgestellt. Die Umrichter-Vorrichtung 11 führt eine Gleichspannungswandlung einer Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes 13 in eine weitere Gleichspannung aus. Beispielhaft wird diese weitere Gleichspannung einem Elektrofahrzeug (Auto) 6 bereitgestellt. Die Umrichter-Vorrichtung 12 führt eine Gleichspannungswandlung einer Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes 13 in eine weitere Gleichspannung aus.
  • Beispielhaft wird diese weitere Gleichspannung einem Gleichspannungsnetz (DC-Grid) 8 bereitgestellt.
  • Die Umrichter-Vorrichtungen 10, 11 und 12 sind gemäß der Ausführungsform in 2 mit Batteriesystemen 4 ausgestattet bzw. gekoppelt, die als Energiespeicher fungieren können. Elektrische Energie kann den Batteriesystemen 4 als Quellen zum Versorgen der Verbraucher 6, 7, 8 entnommen oder als Senken aus den Erzeugern 1, 6, 7, 8 bereitgestellt werden. Eine Energieverteilung erfolgt vermittels des Gleichspannungsnetzes 13.
  • Nachfolgend werden Funktionalitäten der Umrichter-Vorrichtungen 10, 11 und 12 anhand mehrerer Ausführungsbeispiele einer Umrichter-Vorrichtung näher erläutert.
  • 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Umrichter-Vorrichtung 17, wie sie beispielsweise in der Funktion einer oder mehrerer der Umrichter-Vorrichtungen 10, 11 und 12 gemäß 2 implementiert sein kann.
  • Die Umrichter-Vorrichtung 17 gemäß 3 weist eine Mehrzahl von Gleichspannungswandlern 14 auf, die jeweils mit einer Schutzkleinspannungsseite eines Gleichspannungsnetzes einer bestimmten Schutzkleinspannung als Eingangsseite der Gleichspannungswandler 14 verschaltet sind. Die Gleichspannungswandler 14 wandeln jeweils eine Eingangsgleichspannung auf der Schutzkleinspannungsseite des Gleichspannungsnetzes in eine erste gewandelte Gleichspannung (Zwischenspannung) an der Ausgangsseite der Gleichspannungswandler 14 um. Diese Zwischenspannung wird einer Mehrzahl von Resonanzwandlern 15 zugeführt, die im Ausführungsbeispiel gemäß 3 als Serien-Resonanzwandler eingerichtet sind. Die Resonanzwandler 15 wandeln jeweils die erste gewandelte Gleichspannung (Zwischenspannung) um in eine zweite gewandelte Gleichspannung (zweite Zwischenspannung). Die zweite gewandelte Gleichspannung (zweite Zwischenspannung) wird einer Wandler-Einheit 16 bereitgestellt. Die Wandler-Einheit 16 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 als B4-Brücke aufgebaut. Sie kann alternativ aber auch als B2-Brücke oder B6-Brücke oder ähnliches aufgebaut sein. Die Wandler-Einheit 16 wandelt die zweite gewandelte Gleichspannung (zweite Zwischenspannung) um in eine oder mehrere dritte gewandelte Gleichspannungen bzw. eine oder mehrere gewandelte Wechselspannungen. Die eine oder mehreren dritten gewandelten Gleichspannungen bzw. die eine oder mehreren gewandelten Wechselspannungen können dann einem oder mehreren Gleichspannungs- bzw. Wechselspannungsnetzen zur Versorgung/Speisung elektrischer Verbraucher bereitgestellt werden. Es ist alternativ oder ergänzend aber auch möglich, dass ein Energiefluss von elektrischen Erzeugern an einem oder mehreren Gleichspannungs- bzw. Wechselspannungsnetzen über die Wandler-Einheit 16, die Resonanzwandler 15 und die Gleichspannungswandler 14 hin zum Gleichspannungsnetz der bestimmten Schutzkleinspannung (siehe Eingangsseite der Gleichspannungswandler 14) eingerichtet wird. Mit anderen Worten können die Komponenten 14, 15 und 16 bidirektional arbeiten.
  • Nachfolgend werden die Funktionsweisen der einzelnen Komponenten 14, 15 und 16 sowie deren Zusammenspiel anhand beispielhafter Implementierungen näher erläutert.
  • Bei dem hier gezeigten modularen System handelt es sich um ein galvanisch getrenntes Ladesystem. Es werden ein oder mehrere Module (Umrichter-Vorrichtungen 17) verwendet, in denen es wiederum mehrere Gleichspannungswandler 14 gibt. Diese sind beispielhaft als Hoch-/Tiefsetzsteller eingerichtet, die direkt an die Serienresonanzwandler 15 oder alternativ als parallele Einheiten mit einem oder mehreren Serienresonanzwandlern 15 verbunden sein können. Die Gleichspannungswandler 14 können eine beliebige positive Spannung/einen beliebigen positiven oder negativen Strom erzeugen. In 3 ist eine Funktion der Gleichspannungswandler 14 beispielhaft derart veranschaulicht, dass sie als Tiefsetzsteller zwischen ihrer Eingangsseite und ihrer Ausgangsseite bzw. als Hochsetzsteller zwischen ihrer Ausgangsseite und ihrer Eingangsseite arbeiten. Selbstverständlich können die Gleichspannungswandler 14 auch als Hochsetzsteller zwischen ihrer Eingangsseite und ihrer Ausgangsseite bzw. als Tiefsetzsteller zwischen ihrer Ausgangsseite und ihrer Eingangsseite arbeiten. Auch ein bidirektionaler Betrieb der Gleichspannungswandler 14 jeweils als Hoch-/Tiefsetzsteller in beiden Richtungen zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite ist möglich. Der/die Serienresonanzwandler 15 sind z.B. als CLLC-Wandler eingerichtet und setzen diese Spannung galvanisch getrennt mittels eines Hochfrequenztransformators (z.B. ca. 200kHz Schaltfrequenz) in eine höhere Spannung um.
  • Die Schutzkleinspannung wird gemäß 3 beispielhaft zunächst durch ein oder mehrere Gleichspannungswandler 14 in eine kleinere Spannung als die Eingangsspannung (Tiefsetzstellung) gewandelt (erste gewandelte Gleichspannung). Dabei kann diese Zwischenspannung eine beliebige Amplitude, einen beliebigen Zeitverlauf und eine beliebige Frequenz haben. Die Zwischenspannung kann somit beliebige Formen zwischen der Spannung 0 V und der Eingangsspannung annehmen. Dabei können mehrere Gleichspannungswandler 14 parallel zum Einsatz kommen. Die Schaltvorgänge können um 360°/Anzahl der parallelen Gleichspannungswandler 14 versetzt stattfinden. Die Anzahl der aktiven parallelen Gleichspannungswandler 14 ist abhängig von der zu übertragenden Leistung und vom nötigen berechneten Aussteuergrad. Im Teillastbereich können weniger Gleichspannungswandler 14 arbeiten, was den Wirkungsgrad verbessert. Abhängig vom Aussteuergrad kann man eine entsprechende Phasenzahl wählen, um die Schwankungsbreite des Eingangsstromes zu vermindern und somit einen Eingangsfilter zu minimieren. Bei Anwendungen mit Batterien im Eingangskreis schont dies die Batteriezellen.
  • Die Gleichspannungswandler 14 werden mit einer hohen variablen Schaltfrequenz betrieben (z.B. zwischen 100 kHz und 500 kHz, insbesondere 200 kHz). Die Schaltfrequenz ist vom Arbeitspunkt abhängig und wird so gesteuert, dass im Falle des resonanten weichschaltenden Betriebs die Gesamtverluste eines jeden Gleichspannungswandlers 14 minimal sind. Durch die Veränderung der Schaltfrequenz wird ein sehr hoher Wirkungsgrad auch im Teillastbereich gewährleistet. Bei sehr kleinen Leistungen kann ein jeder Gleichspannungswandler 14 im Paket-Modus betrieben werden. Ein Gleichspannungswandler 14 besteht beispielhaft aus einer oder mehreren parallelen B2-Brücken, einer Induktivität, ggf. einer nichtlinearen Kapazität und einer Ansteuerschaltung für die eingesetzten Schaltelemente, z.B. sehr schnelle MOSFET-Leistungshalbleiter, die vorteilhaft einen sehr geringen Innenwiderstand haben.
  • Selbstverständlich sind die Gleichspannungswandler 14 für einen bidirektionalen Energieaustausch vorgesehen. D.h. in die Richtung von der Zwischenspannung zur Eingangsspannung wirken die Gleichspannungswandler 14 jeweils als resonant betriebener Hochsetzsteller.
  • Der zweite Teilabschnitt der Umrichter-Vorrichtung 17 wandelt die Zwischenspannung im Schutzkleinspannungsbereich in eine zweite Zwischenspannung höherer Amplitude im Niederspannungsbereich dazu werden ein oder mehrere Serienresonanzwandler 15 eingesetzt. Ein jeweiliger Serienresonanzwandler 15 kann z.B. als CLLC- oder als LLC-Resonanzwandler aufgebaut werden. Dazu werden im Falle eines LLC-Resonanzwandlers eine B4-Brücke, ein Hochfrequenz-Übertrager und eine sekundärseitige B2-Brücke benötigt. Die primärseitige B4-Brücke ist in der Regel mit mehreren parallel geschalteten MOSFETs ausgestattet. Die B2-Brücke auf der Sekundärseite kann ebenfalls mit mehreren parallel geschalteten MOSFETs ausgestattet werden. Der zweite Teilabschnitt wird z.B. als LLC-Wandler 15 resonant betrieben und kann somit sehr hohe Schaltfrequenzen realisieren bei gleichzeitig sehr geringen Verlusten. Dies ermöglicht eine sehr kostengünstige, kompakte Baugruppe mit einer sehr hohen Energieeffizienz. Ein jeder Serienresonanzwandler 15 realisiert somit die Spannungsübertragung und die Potentialtrennung (galvanische Trennung) von der Schutzkleinspannungsseite (Primär) zur Niederspannungseite (Sekundär). Selbstverständlich ist dieser Schaltungsteil (Serienresonanzwandler 15) auch für einen bidirektionalen Energieaustausch ausgelegt. Der nötige Übertrager (Transformator) kann vorteilhaft in Planartechnik ausgeführt werden. Mehrere Serienresonanzwandler 15 können parallel geschaltet werden, um verschiedene Ausgangsleistungen zu realisieren und bei Teillast die einzelnen Wandler besser auszunutzen. Dies wird im Zusammenhang mit den 4 und 5 weiter unten näher erläutert.
  • Der dritte Teil der Umrichter-Vorrichtung 17 ist optional und wird nur benötigt wenn eine positive bzw. (zeitweise) negative Ausgangsspannung erzeugt werden soll. Er besteht aus einer Wandler-Einheit 16, die in diesem Ausführungsbeispiel als B4-Brücke ausgeführt ist, welche die Invertierung der Ausgangsspannung übernehmen kann falls dies gewünscht wird. Dies wird z.B. benötigt wenn die Ausgangsspannung eine Wechselspannung sein soll. Im Bereich kleiner Ausgangsspannung kann die Spannungsqualität deutlich verbessert werden, indem man hier die B4-Brücke als PWM-getaktete Wechselspannungsbrücke verwendet. Bei den geringen Spannungen fallen hier nur geringe Schaltverluste an. Ansonsten, z.B. bei höheren Ausgangsspannungen, kann die B4-Brücke auch nur als Inverter arbeiten. Die Spannungsform bzw. Amplitude wird dabei durch den/die Gleichspannungswandler 14 vorgegeben. Der/die Gleichspannungswandler 14 erzeugen hierbei eine gepulste Gleichspannung. Diese gepulste Gleichspannung wird über den/die Serienresonanzwandler 15 in eine höhere Gleichspannung transformiert. Die Wandler-Einheit 16 invertiert dann z.B. jede zweite Halbwelle der gepulsten Gleichspannung und erzeugt auf diese Weise eine Wechselspannung an ihrer Ausgangsseite.
  • Durch die sehr hochfrequenten, resonant betriebenen Umrichterkomponenten 14 und 15 sind nur Filter mit hohen Grenzfrequenzen einzusetzen. Diese sind sehr kompakt und preiswert.
  • Ein optionales Betriebsmanagement und eine optional implementierte Regelungstechnik ermöglichen einen weitgehend fehlertoleranten Betrieb, wodurch eine sehr hohe Resilienz gegen Netzstörungen von außen erreicht wird. Die Schaltung 17 ist u.a. Leerlauf- und Kurzschlussfest.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Umrichter-Vorrichtung 17 in einem ersten Betriebsmodus. 5 zeigt diese Umrichter-Vorrichtung 17 in einem zweiten Betriebsmodus. Sämtliche Komponenten 14, 15 und 16 der Umrichter-Vorrichtung 17 weisen in den 4 und 5 die oben erläuterten Funktionalitäten auf. Gemäß 4 und 5 sind Funktionalitäten der Gleichspannungswandler 14 als bidirektionale Hoch-/Tiefsetzsteller veranschaulicht. Zusätzlich weist die Umrichter-Vorrichtung 17 eine Verschaltungssteuerung bzw. Verdrahtungseinheit 18 auf. Diese ist in der Lage die galvanisch getrennten Spannungen von zwei oder ggf. mehreren Serienresonanzwandlern 15 parallel ( 4) oder in Serie (5) zu schalten. Dadurch kann eine Spannungs- und Stromanpassung an die entsprechende Last stattfinden. D.h. man kann die bautechnisch begrenzte Leistung bei Serienschaltung (5) in einem höheren Spannungsbereich nutzen und bei Parallelschaltung (4) einen deutlich höheren Ausgangsstrom erzeugen. Die Verdrahtungseinheit 18 kann z.B. Relais oder HalbleiterSchalter aufweisen, um die jeweiligen Verschaltungen/Verdrahtungen der Serienresonanzwandler 15 durchzuführen.
  • Im ersten Betriebsmodus gemäß 4 sind die Serienresonanzwandler 15 vermittels der Verdrahtungseinheit 18 an den Sekundärseiten ihrer jeweiligen Transformatoren parallel an Ausgangsleitungen der Ausgangsseite geschaltet. Die sekundärseitigen Spannungen der Serienresonanzwandler 15 entsprechen jeweils der Ausgangsspannung an den Ausgangsleitungen der Ausgangsseite. Der Ausgangsstrom setzt sich aus der Summe der sekundärseitigen Ströme der Serienresonanzwandler 15 zusammen. Im ersten Betriebsmodus (Parallelschaltung) liefert die Umrichter-Vorrichtung 17 eine niedrige Ausgangsspannung bei hohem Ausgangsstrom.
  • Im zweiten Betriebsmodus gemäß 5 sind dagegen jeweils zwei Serienresonanzwandler 15 vermittels der Verdrahtungseinheit 18 an den Sekundärseiten ihrer jeweiligen Transformatoren in Serie an Ausgangsleitungen der Ausgangsseite geschaltet. Z.B. ist gemäß 5 eine untere Ausgangsleitung des obersten Serienresonanzwandlers 15 mit der oberen Ausgangsleitung des zweitobersten Serienresonanzwandlers 15 verbunden. Diese beiden Serienresonanzwandler 15 bilden somit ein Paar. Dieses Paar bildet einen gemeinsamen Resonanzwandler-Ausgang, der an die Ausgangsleitungen der Ausgangsseite geschaltet ist und eine Ausgangsspannung liefert, die der Summe der jeweiligen sekundärseitigen Spannungen der beiden Serienresonanzwandler 15 entspricht, welche das Paar bilden. Im zweiten Betriebsmodus (Serienschaltung) liefert die Umrichter-Vorrichtung 17 eine hohe Ausgangsspannung bei niedrigem Ausgangsstrom.
  • In einer Ausführung der Umrichter-Vorrichtung 17 als Batterieladegerät ist es durch die ersten und zweiten Betriebsmodi gemäß 4 und 5 somit möglich eine ungeladene Batterie zunächst in Parallelschaltung (erster Betriebsmodus, 4) der Serienresonanzwandlern 15 an deren Ausgängen mit hohem Strom an der Strom-/Leistungsgrenze zu laden. Bei höherem Ladezustand (z.B. 80%) kann der Ladestrom dann durch Wechsel auf eine Serienschaltung (zweiter Betriebsmodus, 5) reduziert werden, wobei gleichzeitig die Spannung angehoben wird. Durch diese Serien- / Parallelschaltung von mehreren galvanisch entkoppelten Quellen ist es möglich, die vorhandene Stromrichterbauleistung optimal auf den jeweiligen Strom- und Spannungsbedarf abzustimmen. Die Lade-/Entladezeiten können dadurch drastisch verkürzt werden.
  • Der entsprechend geregelte Ausgangsstrom, z.B. Gleichstrom, bzw. die entsprechend geregelte Ausgangsspannung, z.B. Gleichspannung, kann dann direkt ausgekoppelt werden und damit ein Ladepunkt 5 mit entsprechenden Protokollen (z.B. Combined Charging System (CCS) oder Chademo) genutzt werden. Setzt man die optionale B4-Brücke 16 ein, kann der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung der Serienresonanzwandler 15 am Ausgang der Verdrahtungseinheit 18 (als weitere Zwischenspannung) in weitere Ströme bzw. Spannungen gewandelt werden. Z.B. kann die Polarität einer Ausgangsgleichspannung verändert werden. Dadurch ist es möglich beliebige Spannung-/Stromverläufe in allen vier Quadranten zu erzeugen. Möchte man z.B. eine sinusförmige Spannung erzeugen können der oder die Gleichspannungswandler 14 die niedrige Spannung auf der Schutzkleinspannungsseite entsprechend gepulst setzen, wobei diese Spannung durch den oder die Serienresonanzwandler 15 in eine höhere Spannung transformiert wird. Die B4-Brücke 16 kann dann die eine Halbwelle der transformierten und über die Verdrahtungseinheit 18 ausgegebenen Spannung negieren und im Bereich niedriger Spannungen auch als Tiefsetz-/Hochsetzsteller fungieren, um einen sauberen Nulldurchgang der Spannung zu erzeugen.
  • 6 zeigt eine Anordnung mehrerer Umrichter-Vorrichtungen 17 gemäß 4 bzw. 5. Die einzelnen Umrichter-Vorrichtungen 17 können z.B. als Verbindungsglieder zwischen einem 48V Batteriespeicher 20 und einem elektrischen Netz 19 gesehen werden, wobei das Netz 19 z.B. ein öffentliches Netz oder ein Inselnetz sein kann. Die jeweiligen Gleichspannungswandler 14 (siehe 3 bis 5) machen aus der Batteriegleichspannung eine pulsierende Gleichspannung die aus periodischen Sinushalbwellen besteht, wobei diese eine Mindestspannung von etwa 0,5% bis 10% der Eingangsspannung haben. Die jeweiligen Serienresonanzwandler 15 (siehe ebenfalls 3 bis 5) setzen die kleine gepulste Zwischenspannung jeweils auf eine hohe gepulste Zwischenspannung. Die jeweiligen Wandler-Einheiten 16 (B4-Brücken, siehe ebenfalls 3 bis 5) invertieren jede zweite Sinushalbwelle der hohen gepulsten Zwischenspannung. Die jeweiligen B4-Brücken werden vorteilhaft derart gesteuert, dass sie im Bereich der Nulldurchgänge pulsen, so dass ein sehr sauberer Sinus der so erzeugten Ausgangswechselspannung entsteht.
  • Eine alternative oder ergänzende Ausführung/Anwendung der Anordnung gemäß 6 könnte als Eingang z.B. mehrere in Reihe geschaltete Photovoltaikmodule 1 am Gleichspannungsnetz 20 nutzen und diese Energie entsprechend in ein öffentliches oder ein Inselnetz 19 einspeisen. An das Netz 20 kann auch ein Photovoltaiksystem 1 mit Einzelmodulwandler oder ein Photovoltaiksystem 1 mit mehreren in Reihe oder parallel geschalteten Modulen und Tiefsetzsteller angeschlossen werden. Eine weiter alternative oder ergänzende Ausführung/Anwendung der Anordnung gemäß 6 könnte ein Batteriesystem kleiner Spannung direkt mit einem Batteriesystem hoher Spannung verbinden. Dies könnte z.B. bei einer DC-Ladesäule 5 mit stationärer Energiepufferung geschehen, um Batterien von Elektroautos intelligent laden zu können. Eine weiter alternative oder ergänzende Ausführung/Anwendung der Anordnung gemäß 6 könnte eine Einspeisung von Energie aus einer Photovoltaikanlage 21 mit hoher Spannung in das Batteriesystem 20 niedriger Spannung vorsehen. Hierbei arbeiten die Komponenten 14, 15 und ggf. 16 der beteiligten Umrichter-Vorrichtungen 17 entsprechend in einer umgekehrten Richtung. Das bedeutet, dass die hohe Gleichspannung der Photovoltaikanlage 21 vermittels ggf. der Komponente 16 und der Komponenten 15 und 14 (in dieser Reihenfolge) in die niedrigere Spannung des Systems 20 gewandelt wird.
  • Jede der Umrichter-Vorrichtungen 17 kann somit aus einer kleinen Eingangsspannung eine beliebige positive Ausgangsgleichspannung an einem Ladepunkt 5 erzeugen oder wahlweise eine sinusförmige Ausgangsspannung für ein Inselnetzsystem oder eine direkte Netzverbindung 19 erzeugen. Umgekehrt kann jede der Umrichter-Vorrichtungen 17 aus einer hohen beliebigen Ausgangsspannung (Wechsel- oder Gleichspannung) eine niedrigere Spannung, z.B. eine Schutzkleinspannung erzeugen. Wenn man jetzt mehrere Umrichter-Vorrichtungen 17 gemäß der Anordnung in 6 hat, die entsprechend flexibel mit einem Versorgungsnetz oder Inselnetz 19, einer Photovoltaikanlage 20, 21 oder einem Ladepunkt 5 verbunden werden können, dann ist es möglich je nach beabsichtigtem Energiefluss z.B. einen stationären Energiespeicher 20 aus dem Netz 19 oder der Photovoltaikanlage 21 zu laden. Ferner kann das Netz 19 aus dem Energiespeicher 20 versorgt werden. Ferner kann ein Fahrzeug (Elektroauto) am Ladepunkt 5 geladen oder entladen werden. Ferner kann eine Einspeisung aus einem Gleichspannungsnetz 21 erfolgen, usw.
  • Generell kann jede Umrichter-Vorrichtung 17 eine oder mehrere dieser Aufgaben übernehmen. Es ist z.B. auch möglich, die einen oder mehreren Serienresonanzwandler 15 und die eine oder mehreren Wandler-Einheiten 16 einer Umrichter-Vorrichtung 17 derart zu steuern, dass ausschließlich eine oder mehrere Gleichspannungen ausgegeben werden, eine oder mehrere Gleichspannungen und eine oder mehrere Wechselspannungen ausgegeben werden, oder ausschließlich eine oder mehrere Wechselspannungen ausgegeben werden können. Z.B. können alle drei Phasen L1 bis L3 des Netzes 19 versorgt werden oder nur zwei Phasen des Netzes 19 und eine Gleichspannungsleitung, z.B. eines Ladepunktes 5, oder eine Phase des Netzes 19 und zwei Gleichspannungsleitungen (z.B. eines Ladepunktes 5 bzw. eines Gleichspannungsnetzes 21), oder drei Gleichspannungsleitungen (verteilt auf einen oder mehrere Ladepunkte 5 bzw. eine oder mehrere Leitungen eines oder mehrerer Gleichspannungsnetze 21), usw.
  • Eine übergeordnete Steuerung 22 kann den eigentlich selbstständig agierenden Umrichter-Vorrichtung 17 entsprechend dem gewünschten Betrieb die entsprechenden Aufgaben zuweisen und die entsprechenden Verdrahtungen, z.B. vermittels der jeweiligen Verdrahtungseinheit 18, vornehmen.
  • Es werden hier resonant angesteuerte/schaltende Topologien 14, 15 kombiniert, die zunächst eine Spannung verkleinern und dann galvanisch getrennt deutlich vergrößern. Mittels eines nachgeschalteten Spannungsinverters 16 und dem getakteten Betrieb im Bereich kleiner Ausgangsspannungen können sowohl Gleichspannungen als auch Wechselspannungen gestellt werden. Ein Betrieb in umgekehrter Reihenfolge ist ebenso möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Photovoltaiksystem
    2
    Wandler-Einheit
    3
    Wandler-Einheit
    4
    Batteriesystem
    5
    Ladepunkt
    6
    Auto
    7
    Wechselspannungs-Anschlusspunkt
    8
    Gleichspannungsnetz
    9
    Wandler-Einheit
    10
    Umrichter-Vorrichtung
    11
    Umrichter-Vorrichtung
    12
    Umrichter-Vorrichtung
    13
    Gleichspannungsnetz
    14
    Gleichspannungswandler
    15
    Resonanzwandler
    16
    Wandler-Einheit
    17
    Umrichter-Vorrichtung
    18
    Verschaltungssteuerung
    19
    Versorgungsnetz, Wechselspannungsnetz
    20
    Gleichspannungsnetz
    21
    Photovoltaikanlage oder Gleichspannungsnetz
    22
    Steuerung

Claims (25)

  1. Umrichter-Vorrichtung (17) zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung an einer Eingangsseite in eine Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite, aufweisend: - wenigstens einen Gleichspannungswandler (14) zum Wandeln der Eingangsgleichspannung in eine erste gewandelte Gleichspannung, - wenigstens einen Resonanzwandler (15) zum Wandeln der ersten gewandelten Gleichspannung in eine zweite gewandelte Gleichspannung, wobei der Resonanzwandler (15) einen Transformator zur galvanischen Trennung der Eingangsseite und der Ausgangsseite aufweist, und wobei die zweite gewandelte Gleichspannung als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgebbar ist.
  2. Umrichter-Vorrichtung (17) nach Anspruch 1, wobei der Gleichspannungswandler (14) als Tiefsetzsteller betreibbar ist zum Wandeln der Eingangsgleichspannung in die gegenüber der Eingangsgleichspannung niedrigere erste gewandelte Gleichspannung.
  3. Umrichter-Vorrichtung (17) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gleichspannungswandler (14) eingerichtet ist die erste gewandelte Gleichspannung variabel einzustellen.
  4. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gleichspannungswandler (14) als Schaltwandler eingerichtet ist, der mit einer variablen Schaltfrequenz, insbesondere einer Schaltfrequenz im kHz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von 100 bis 500 kHz, betreibbar ist, insbesondere resonant betreibbar ist.
  5. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichspannungswandler (14) bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betreibbar ist.
  6. Umrichter-Vorrichtung (17) nach Anspruch 5, wobei der Gleichspannungswandler (14) von der Ausgangsseite in Richtung der Eingangsseite als Hochsetzsteller betreibbar ist zum Wandeln einer gegenüber einer Gleichspannung an der Eingangsseite niedrigeren ersten Gleichspannung in die Gleichspannung an der Eingangsseite.
  7. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Resonanzwandler (15) eingerichtet ist zum Wandeln der ersten gewandelten Gleichspannung in die gegenüber der ersten gewandelten Gleichspannung höhere zweite gewandelte Gleichspannung.
  8. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Resonanzwandler (15) als Serienresonanzwandler, insbesondere als LLC-Resonanzwandler oder als CLLC-Resonanzwandler eingerichtet ist.
  9. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Transformator als Hochfrequenz-Transformator, insbesondere für Schaltfrequenzen im kHz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von 100 bis 500 kHz, eingerichtet ist.
  10. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Resonanzwandler (15) bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betreibbar ist.
  11. Umrichter-Vorrichtung (17) nach Anspruch 10, wobei der Resonanzwandler (15) von der Ausgangsseite in Richtung der Eingangsseite betreibbar ist zum Wandeln einer gegenüber einer ersten Gleichspannung höheren zweiten Gleichspannung in die erste Gleichspannung.
  12. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiter aufweisend wenigstens eine Wandler-Einheit (16) zum Wandeln der zweiten gewandelten Gleichspannung in eine dritte gewandelte Spannung, wobei die dritte gewandelte Spannung als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgebbar ist.
  13. Umrichter-Vorrichtung (17) nach Anspruch 12, wobei die Wandler-Einheit (16) bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betreibbar ist.
  14. Umrichter-Vorrichtung (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Umrichter-Vorrichtung (17) mehrere Resonanzwandler (15) sowie eine Verschaltungssteuerung (18) aufweist, wobei in einem ersten Betriebsmodus zwei oder mehr der Resonanzwandler (15) vermittels der Verschaltungssteuerung (18) an den Sekundärseiten ihrer jeweiligen Transformatoren parallel an Ausgangsleitungen der Ausgangsseite schaltbar sind und wobei in einem zweiten Betriebsmodus mehrere, insbesondere zwei, der Resonanzwandler (15) vermittels der Verschaltungssteuerung (18) an den Sekundärseiten ihrer jeweiligen Transformatoren in Serie schaltbar sind, wobei die so in Serie geschalteten Resonanzwandler (15) einen gemeinsamen Resonanzwandler-Ausgang bilden, der an die Ausgangsleitungen der Ausgangsseite schaltbar ist, und wobei die Umrichter-Vorrichtung (17) vermittels der Verschaltungssteuerung (18) wechselweise zwischen den beiden Betriebsmodi schaltbar ist.
  15. Anordnung mit mehreren Umrichter-Vorrichtungen (17) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Umrichter-Vorrichtungen (17) mit ihren jeweiligen Eingangsseiten parallel an einer oder mehreren Gleichspannungsleitungen eines ersten Gleichspannungsnetzes (20) angeschlossen sind und mit ihren jeweiligen Ausgangsseiten an einer oder mehreren Gleichspannungsleitungen eines zweiten Gleichspannungsnetzes (5, 21) bzw. an einer oder mehreren Wechselspannungsleitungen eines Wechselspannungsnetzes (19) angeschlossen sind.
  16. Verfahren zum Betreiben einer Umrichter-Vorrichtung (17) zum Umrichten einer Eingangsgleichspannung an einer Eingangsseite in eine Ausgangsspannung an einer Ausgangsseite, wobei die Umrichter-Vorrichtung (17) wenigstens einen Gleichspannungswandler (14) und wenigstens einen Resonanzwandler (15) aufweist und wobei der Resonanzwandler (15) einen Transformator zur galvanischen Trennung der Eingangsseite und der Ausgangsseite aufweist, wobei der Gleichspannungswandler (14) eine Eingangsgleichspannung an der Eingangsseite in eine erste gewandelte Gleichspannung wandelt und der Resonanzwandler (15) die erste gewandelte Gleichspannung in eine zweite gewandelte Gleichspannung wandelt, wobei die zweite gewandelte Gleichspannung als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgegeben werden kann.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Gleichspannungswandler (14) als Tiefsetzsteller arbeitet und die Eingangsgleichspannung in eine gegenüber der Eingangsgleichspannung niedrigere erste gewandelte Gleichspannung wandelt.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Gleichspannungswandler (14) die erste gewandelte Gleichspannung variabel einstellt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der Gleichspannungswandler (14) als Schaltwandler arbeitet und mit einer variablen Schaltfrequenz, insbesondere einer Schaltfrequenz im kHz-Bereich, insbesondere in einem Bereich von 100 bis 500 kHz, vorzugsweise 200 kHz angesteuert wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der Resonanzwandler (15) die erste gewandelte Gleichspannung in eine gegenüber der ersten gewandelten Gleichspannung höhere zweite gewandelte Gleichspannung wandelt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Umrichter-Vorrichtung (17) ferner wenigstens eine Wandler-Einheit (16) aufweist, wobei die Wandler-Einheit (16) die zweite gewandelte Gleichspannung in eine dritte gewandelte Spannung wandelt, wobei die dritte gewandelte Spannung als Ausgangsspannung an der Ausgangsseite ausgegeben werden kann.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Wandler-Einheit (16) bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betrieben wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei der Gleichspannungswandler (14) resonant betrieben wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei der Gleichspannungswandler (14) bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betrieben wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei der Resonanzwandler (15) bidirektional zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite betrieben wird.
DE102017130387.1A 2017-09-18 2017-12-18 Umrichter-Vorrichtung, Anordnung mit mehreren solcher Umrichter-Vorrichtungen sowie Verfahren zum Betreiben einer Umrichter-Vorrichtung Withdrawn DE102017130387A1 (de)

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