DE102017206579A1 - Konverter zum Steuern von Leistungsflüssen zwischen Gleichstromquellen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Konverter (K) zum Steuern von Leistungsflüssen zwischen mindestens drei Stromnetzwerken (Q_AC, Q_HV, Q_NV), mit unterschiedlichen Betriebsspannungen (U_A, U_B, U_C) bereitgestellt. Der Konverter umfasst mindestens drei Anschlüsse (A, B,C), die jeweils zum elektrischen Kontaktieren eines der drei Stromnetzwerke (Q_NV, Q_HV, Q_AC) eingerichtet sind, sowie mindestens zwei Konverterzellen (Z_1, Z_2...) mit jeweils einem Transformator (T) aufweisend mindestens drei Transformatorspulen (W_1,A, W_1,B, W_{1,C ,}W_2,A, W_2,B, W_2,C,...), wobei mindestens einer der Anschlüsse (A, B, C) mit einer Serienschaltung von Konverterzellen (Z_1, Z_2,...), verbunden ist, während mindestens ein anderer der Anschlüsse (A, B, C) mit einer Parallelschaltung von Konverterzellen (Z_1, Z_2,...) verbunden ist.

Description

• Stand der Technik
• Der hier beschriebene Konverter ist insbesondere auf das Gebiet der Leistungselektronik einsetzbar. Es handelt sich insbesondere um einen Konverter, welcher omnidirektionale Leistungsflüsse zwischen drei galvanisch getrennten Gleichspannungsquellen ermöglicht. Mit dem Begriff „omnidirektional“ ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass über den Konverter ein Leistungsfluss zwischen den verschiedenen Gleichstromquellen in beliebiger Richtung und in einem weiten Leistungsbereich gesteuert werden kann.
• In heutigen Elektro- wie auch in Hybridfahrzeugen werden üblicherweise zwei verschiedene Bordnetze eingesetzt: Zum einen existiert ein Niederspannungsnetz (NV-Netz), welches durch einen Akkumulator gepuffert wird und alle Niederspannungsverbraucher wie Bordcomputer, Lichteinheiten und Unterhaltungselektronik versorgt. Zum anderen existiert ein Hochspannungsnetz (HV-Netz), welches durch einen Hochvolt-Akku gespeist wird und sowohl Energie für den Antrieb, wie auch für das Niederspannungsnetz zur Verfügung stellt.
• Um die Energie vom HV-Netz in das NV-Netz zu übertragen wird üblicherweise ein DC/DC-Konverter (DC = direct current = Gleichstrom) eingesetzt, welcher aus sicherheitstechnischen Gründen eine galvanische Trennung aufweisen muss. Für den erfolgreichen Betrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges müssen des Weiteren die Akkumulatoren über ein Stromversorgungsnetz (AC-Netz) geladen werden können. Hierdurch ist ein zusätzlicher AC/DC-Konverter (AC = alternating current = Wechselstrom) nötig, der auf Seiten des Stromversorgungsnetzes bevorzugt sowohl für den Betrieb mit Einphasenwechselstrom als auch für den Betrieb mit Dreiphasenwechselstrom geeignet ist. Aus sicherheitstechnischen Gründen muss hier ebenfalls eine galvanische Trennung vorgesehen sein. Für die Ausführung des AC/DC-Konverters mit galvanischer Trennung wird dieser typischerweise mit einem nichtisolierten AC/DC-Gleichrichter und einem nachgeschalteten DC/DC-Konverter mit galvanischer Trennung ausgeführt. Damit existieren in den heutigen Elektro- und Hybridfahrzeugen schlussendlich üblicherweise drei galvanisch getrennte Gleichspannungssysteme, nämlich ein Stromversorgungsnetz (AC-Netz), über welchem ein Stromversorgungsnetz anschließbar ist, das HV-Netz und das NV-Netz.
• Der Leistungsfluss zwischen diesen drei Gleichspannungssystemen wird wie oben beschrieben somit üblicherweise mit zwei unabhängigen galvanisch getrennten DC/DC-Konvertern bewerkstelligt. Damit muss einerseits die gesamte Leistung, welche vom AC-Netz zum Laden des NV-Netzes mit den NV-Akkumulatoren benötigt wird, je nach Verschaltung der Konverter, durch mindestens zwei DC/DC-Konverter geführt werden. Andererseits werden durch die Verschaltung der zwei unabhängigen galvanisch getrennten DC/DC-Konverter verschiedene Schaltungsteile doppelt verbaut. Hierzu zählen beispielsweise elektronische Umschalter oder Transformatoren. Mit dem Begriff „elektronische Umschalter“ sind hier insbesondere mit Leistungshalbleitern realisierte Brückenzweige gemeint, wobei zwei Brückenzweige eine Vollbrücke bilden. Dies führt sowohl zu einer schlechteren Gesamteffizienz des Systems, als auch zu erhöhten Produktionskosten und niedriger Leistungsdichte durch geringe Systemintegration.
• Offenbarung der Erfindung
• Hier beschrieben werden soll ein Konverter zum Steuern von Leistungsflüssen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Es handelt sich um einen Konverter zum Steuern von Leistungsflüssen zwischen mindestens drei Stromnetzwerken, mit unterschiedlichen Betriebsspannungen umfassend mindestens drei Anschlüsse, die jeweils zum elektrischen Kontaktieren eines der drei Stromnetzwerke eingerichtet sind und mindestens zwei Konverterzellen mit einem Transformator aufweisend mindestens drei Transformatorspulen, wobei mindestens einer der Anschlüsse mit einer Serienschaltung von Transformatorspulen verschiedener Konverterzellen verbunden ist, während mindestens ein anderer der Anschlüsse mit einer Parallelschaltung von Transformatorspulen verschiedener Konverterzellen verbunden ist.
• Der hier beschriebene Konverter ist insbesondere dazu geeignet Leistungsflüsse zwischen AC-Netz, HV-Netz und NV-Netz in einem elektrischen Kraftfahrzeug oder einem Hyrid-Kraftfahrzeug zu steuern. Der Konverter kann insbesondere auch als „Multiport-Konverter“ bezeichnet werden, weil dieser mehr als zwei Anschlüsse für verschiedene Stromnetzwerke aufweist.
• Durch den Einsatz eines Konverters zur elektrischen Verbindung von AC-Netz, HV-Netz und NV-Netz, kann die Leistungsdichte wesentlich erhöht werden. Der einfachste Fall eines Multiport-Konverters ist ein Drei-Port-Konverter. Ein solcher Konverter stellt insbesondere auch eine galvanische Trennung unterschiedlicher mit dem Konverter gekoppelter Spannungsniveaus bereit.
• Der hier beschriebene Konverter hat mindestens zwei Konverterzellen. Eine einzelne Konverterzelle ist für sich betrachtet ebenfalls ein Konverter und bevorzugt einen Drei-Port-Konverter (Multiport-Konverter mit drei Ports für unterschiedliche Stromnetzwerke). Eine solche Konverterzelle weist üblicherweise drei Ports, drei Vollbrücken und einen Transformator mit drei Transformatorspulen (oder auch Wicklungen) auf, wobei die Transformatorspulen bzw. Wicklungen jeweils einem der drei Ports zugeordnet sind. Der Transformator umfasst üblicherweise einen Kern, an welchem die mindestens drei Wicklungen angeordnet sind.
• Die Vollbrücken ermöglichen es, die jeweiligen Ports gezielt mit den zugeordneten Wicklungen in verschiedenen, vorgesehenen Art- und Weisen zu verbinden. Die Vollbrücken, bestehend aus je vier Transistoren, können je nach Ansteuerung die Spannungsübertragung und Leistungsübertragung zwischen dem Port und der zugeordneten Wicklung unterbrechen (Nullspannung am Ausgang), übertragen oder invertiert übertragen. Durch eine „normale“ Übertragung wird eine positive Spannung am Ausgang erzeugt. Durch eine invertierte Übertragung wird eine negative Spannung am Ausgang erzeugt. Die Ausgangsspannungen der Vollbrücken werden direkt an die jeweiligen Trafowicklungen angelegt, wodurch ein Leistungsaustausch zwischen den verschiedenen Ports ermöglicht wird. Die Vollbrücken sind mit einem vorgebbaren Tastverhältnis betreibbar, um eine bestimmte Leistungsübertragung durch die Vollbrücken einzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Vollbrücken für ein festes Tastintervall eingerichtet. Das Tastverhältnis gibt an für welches Zeitintervall innerhalb des Tastintervalls eine Leistungsübertragung möglich ist. Bevorzugt sind die Vollbrücken so eingerichtet, dass abwechselnd eine „normale“ Übertragung und eine invertierte Übertagung erfolgt. Dann kann die Vollbrücke auch dazu genutzt werden ein Wechselstromsignal mit einer Rechteck-Spannung nachzuempfinden. Die Tastintervalle einzelner Vollbrücken einer Konverterzelle oder verschiedener Konverterzellen können zeitlich zueinander verschoben sein. Diese Verschiebung ist eine Phasenverschiebung. Die Phasenverschiebung kann beispielsweise zur Verarbeitung von mehrphasigen Wechselströmen verwendet werden. Insbesondere bei parallel zueinander geschalteten Konverterzellen kann die Phasenverschiebung auch dazu genutzt werden einen besonders gleichmäßigen Betrieb des Konverters insgesamt zu gewährleisten, weil die Leistungsübertragungen verschiedener Konverterzellen dann zeitlich versetzt angeordnet werden können. Der gesamte Konverter bekommt dadurch eine besonders gleichförmige Leistungsübertragungscharakteristik mit minimalen Spannungs- und Leistungsschwankungen.
• Der Leistungsfluss wird sowohl durch das Tastverhältnis der Ausgangsspannungen der Vollbrücken als auch durch deren Phasenverschiebung untereinander geregelt.
• Ports des Gesamtkonverters werden im Folgenden mit P_A, P_B P_C... bezeichnet. Ports der einzelnen Konverterzellen (erste Konverterzelle, zweite Konverterzelle, dritte Konverterzelle,...) werden im Folgenden zusätzlich mit einem Index k für die einzelne Konverterzelle bezeichnet: P_A,k, P_B,k P_C,k...
• Eine einzelne Konverterzelle ist jedoch hinsichtlich der Wertebereiche der einzelnen Portspannungen, sowie hinsichtlich der Spannungsunterschiede zwischen ebendiesen stark eingeschränkt. Dies gilt insbesondere aufgrund der geforderten Konvertereffizienz. Dies liegt daran, dass eine Abweichung von einem Nennspannungsniveau, für welches der jeweilige Multiport-Konverter eingerichtet ist, typischerweise zu einem Absinken der Effizienz der Energieübertragung führt. Dies erschwert den Einsatz einer einzelnen Konverterzelle in automobilen Anwendungen mit stark unterschiedlichen und variablen Akkumulatorspannungen wesentlich. Einerseits müssen bei hohen Leistungen auf der NV-Seite große Ströme geführt werden. Dies kann durch die parasitären Streuinduktivitäten der Trafowicklungen und durch parasitäre Induktivitäten der Verdrahtung der Leistungstransistoren (Kommutierungsschleifen) zu erheblichen Schaltüberspannungen und Schaltverlusten in den Leistungstransistoren führen.
• Andererseits müssen HV-Netz-seitig Transistoren mit hohen Sperrspannungen eingesetzt werden, welche im Vergleich zu Transistoren mit niedrigeren Sperrspannungen über schlechtere Eigenschaften hinsichtlich Schaltverlusten und Leitverlusten verfügen. Aus diesem Grund müsste die optimale Konverter-Schaltfrequenz reduziert werden. Folglich müsste das Volumen der genannten Komponenten zumindest teilweise größer ausgelegt werden.
• Eine weitere Herausforderung stellt das hohe Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen HV-Netz und NV-Netz dar. Dieses hohe Spannungsübersetzungsverhältnis ist insbesondere bei der Auslegung des Transformators eine große Herausforderung, weil es ein hohes Windungszahlenverhältnis erfordert.
• Von Zwei-Port -Konverter-Systemen bestehend aus Konverterzellen mit jeweils zwei Spulen und zwei Anschlüssen, welche nur zwei Spannungsquellen mit stark unterschiedlichen Spannungsniveaus miteinander koppeln, ist ein Multi-Zellen-Ansatz bekannt. Hierbei werden von mehreren identischen Teilsystemen (im Folgenden Zellen oder auch Konverterzellen genannt), die Ports entweder in Serie oder parallel verschaltet, womit jede Zelle nur noch einen Teil der Gesamtleistung übertragen muss bzw. an einem Teil der hohen Spannung liegt.
• Der hier vorgestellte Konverter ist ein Multi-Port-Multi-Zellen-Konverter (im Folgenden auch MPMZ-Konverter), der das Konzept einer Multi-Port-Konverterzelle mit einem Multi-Zellen-Konverter miteinander kombiniert. Dieser Konverter ermöglicht die effiziente Kopplung mehrerer Gleichspannungssysteme stark unterschiedlichen Spannungsniveaus bei geringem Konstruktionsaufwand.
• Dies wird erreicht, indem mehrere identische Multi-Port-Konverterzellen (insbesondere mehrere Drei-Port-Zellen) für kleinere Leistungen ausgelegt und entsprechend der Spannungs- und Stromverhältnisse an deren jeweiligen Ports miteinander verschaltet werden. Dies bedeutet, dass auf der HV-Seite die Ports der einzelnen Drei-Port-Zellen für die (symmetrische) Spannungsaufteilung in Serie und auf der NV-Seite die Ports im Sinne einer (symmetrischen) Aufteilung des hohen Ausgangsstromes parallel geschaltet werden.
• Besonders bevorzugt sind auf der NV-Seite alle Ports der Konverterzellen des Konverters parallel miteinander verschaltet. Es werden also alle Konverterzellen genutzt, um die niedrige Spannung auf NV-Seite bereitzustellen. Durch die Verteilung des Gesamtstroms auf die verschiedenen parallelen Zellenports wird eine besonders hohe Effizienz erreicht.
• Durch den Einsatz des Multi-Port-Multi-Zellen-Konzepts (MPMZ-Konzept) erschließen sich wesentliche Vorteile. Die zu übertragende Leistung wird auf mehrere Zeilen symmetrisch verteilt, wodurch entweder die Port-Spannungen oder die Port-Ströme der jeweiligen Zellen reduziert werden können. Dies führt zu einem niedrigeren Windungszahlenverhältnis und zu einer Erhöhung der NV-Netz-seitigen charakteristischen Impedanz der einzelnen Konverter-Zellen, was sowohl ein verbessertes Transformatordesign, als auch eine Reduktion der Transistorschaltverluste auf der NV-Netz Seite ermöglicht.
• Die Aufteilung der Hochspannung auf mehrere serielle zueinander geschaltete Ports mehrerer Konverterzellen ermöglicht den Einsatz von Transistoren mit niedrigeren Sperrspannungen und führt somit zu einer verbesserten Performancekennzahl (Figures-of- Merit), d.h, verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Schalt- und Leitverlusten. Die dadurch höhere erzielbare Schaltfrequenz verkleinert das Volumen der passiven Komponenten, welches weiter reduziert werden kann, indem die verschiedenen Zellen nicht synchron getaktet, sondern mit einer gewissen Phasenverschiebung angesteuert werden. Die Überlagerung der Port-Ströme jeder Zelle führt somit zu einer reduzierten Stromwelligkeit in an den Ports des Konverters zur Spannungsstützung eingesetzten Kondensatoren, wodurch diese entweder eine höhere erwartete Lebensdauer aufweisen oder deren Kapazitätswerte reduziert werden können.
• Bevorzugt ist, dass alle einzelnen Konverterzellen des Konverters gleich aufgebaut sind. Aus industrieller Sicht ist dieser Aufbau bzw. diese Topologie attraktiv, weil die Entwicklung einer einzelnen Konverter Zelle genügt, um Konverter-Systeme für verschiedenste Leistungs- und Spannungsniveaus ohne großen zusätzlichen Entwicklungsaufwand herzustellen. Dies führt zu einem positiven Skaleneffekt, welcher eine kostengünstige Produktion verschiedener Konverter-Systeme ermöglicht, die alle auf der gleichen Konverter-Zelle basieren.
• Der Konverter ist bevorzugt so aufgebaut bzw. so geregelt, dass sich sowohl die hohen Eingangsspannungen als auch die hohen Ausgangsströme symmetrisch auf die einzelnen Zellen verteilen. Dazu hat der Konverter bevorzugt einen den Konverterzellen übergeordneten Regler. Dadurch wird sichergestellt, dass jede Zelle denselben Anteil der gesamten Leistung liefern muss, und somit auch die Verluste gleichmäßig im Konverter verteilt werden. Des Weiteren werden die Vollbrücken in den verschiedenen Zellen entsprechend mit einer zellenzahlabhängigen Phasenverschiebung angesteuert. Der Konverter hat bevorzugt Kondensatoren C_A, C_B, C_C, mit welchen die Gesamtstromwelligkeit an den Anschlüssen des Konverters in den Ausgangskondensatoren durch die Überlagerung der einzelnen Zellenströme reduziert werden kann.
• Im Gegensatz zu einem Konverter mit einer Zwei-Port-Multi-Zellen-Topologie ist für die vorliegende MPMZ-Topologie eine automatische Ausbalancierung der Portspannungen V_A,k und V_B,k k e {1 ,...,n} nicht gegeben. Daher sollte eine aktive Regelung dieser Spannungen durch einen übergeordneten Regler erfolgen . Unter Vernachlässigung der Konverterverluste gilt für die Summe der Leistungen an den drei Anschlüssen bzw Ports P_A+P_B+P_C = 0, wodurch nur zwei dieser Leistungen frei wählbar sind.
• Bevorzugt hat jede Konverterzelle einen eigenen (internen) Zellenregler. Für die Verteilung der Leistungen in einer einzelnen Konverterzelle gilt ebenfalls, dass die Summe der Leistungen an den einzelnen Anschlüssen Null sein muss (P_x,A + P_x,B + P_x,C= 0) Jede Zelle wird durch einen eigenen internen Regler gesteuert.
• Zumindest einer der Regler (der übergeordnete Regler und oder mindestens ein Zellenregler) ist dazu eingerichtet, fünf verschiedene Parameter anhand der gewünschten Verteilung der Leistung auf die einzelnen Ports (P_A, P_B und P_C) zu berechnen. Dies gilt insbesondere für die Zellenregler, die bevorzugt alle entsprechend eingerichtet sind. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der übergeordnete Regler nicht dazu eingerichtet diese fünf verschiedenen Parameter entsprechend vorzugeben. Vielmehr ist der übergeordnete Regler dazu eingerichtet Portleistungen für die einzelnen Zellenregler (P_A,K, P_B,k und P_C,k) vorzugeben. Die einzelnen Zellenregler sind dann dazu eingerichtet eine gemeinsam (übergeordnete) Vorgabe des übergeordneten Reglers zu erfüllen.
• Die fünf Parameter sind bevorzugt die folgenden Parameter:
• - D_A, Tastverhältnis am Konvertereingang A
• - D_B, Tastverhältnis am Konvertereingang B
• - D_C , Tastverhältnis am Konvertereingang C
• - ϕ_AB Phasenverschiebungswinkel zwischen den Konvertereingängen A und B, und
• - ϕ_AC. Phasenverschiebungswinkel zwischen den Konvertereingängen A und C.
• Durch fünf Parameter sind die Vollbrücken mit Hilfe des Reglers vollständig steuerbar. Tatsächlich existiert als sechster Parameter noch der Phasenverschiebungswinkel ϕ_BC zwischen den Konvertereingängen B und C. Diese ist jedoch vollständig von den Phasenverschiebungswinkeln ϕ_AB und ϕ_AC abhängig und braucht aus diesem Grunde nicht separat vorgegeben zu werden.
• Im Folgenden soll die Arbeitsweise des Konverters anhand von konkreten Beispielen noch weiter erläutert werden. Bei einer negativen Leistung an einem seriell verschalteten Port des Konverters und einer zu hohen Kondensatorspannung am Kondensator dieses Ports, muss die dem Kondensator zugeführte Leistung verringert werden, um eine Reduktion der Portspannung zu bewirken. Von einem übergeordneten Regler werden nun Korrekturterme für die Leistungsverteilungen der einzelnen Zellen bestimmt (P_Adiff,k, P_Bdiff,k und P_Cdiff,k). Um trotz unterschiedlicher Zellenleistungen der einzelnen Konverterzellen eine Destabilisierung des gesamten Konverters zu verhindern, wird die Summe der zelleninternen Korrekturterme P_Adiff,k, + P_Bdiff,k = -P_{Cdiff, k} über die parallel geschalteten NV-Ports kompensiert. Dies ist ein weiterer Vorteil, wenn auf der NV-Seite, bzw. am NV-Netz alle Konverterzellen parallel geschaltet sind. So kann das NV-Netz gleichzeitig auch zur Stabilisierung der einzelnen Zellenleistungen genutzt werden, indem Leistungsunterschiede zwischen den einzelnen Zellen ausgeglichen werden.
• Dies ist insbesondere möglich, weil im Gegensatz zu den seriell verschalteten Ports, eine unsymmetrische Leistungsverteilung in den parallel geschalteten Zellenports keine Änderung des Verhältnisses zwischen den jeweiligen Portspannungen zur Folge hat und somit keine Destabilisierung des Konverters resultiert. Ein solcher stabilisierender Effekt wäre mit rein seriell verschalteten Zellen nicht hervorrufbar, weil man dort drei zelleninterne Portspannungen regeln müsste, jedoch nur zwei Freiheitsgrade (Portleistungen) zur Regelung der Zellenspannungen zur Verfügung hat. Aus diesem Grund ist es für einen stabilen Betrieb des beschriebenen Multi-Port-Muli-Zellen-Konverters unabdingbar, dass mindestens ein Port der Konverterzellen parallel verschaltet wird, über welchen die Leistungsunterschiede zwischen den Zellen ausgeglichen werden können.
• Durch die spannungsproportionale Umverteilung der Zellenleistungen ändert sich nichts an der Gesamtleistung des Konverters, weil die Reduktion der Portleistung um einen bestimmten Wert in der einen Konverterzelle, zu einer Erhöhung der Portleistung in einer anderen Konverterzelle um genau denselben Wert führt.
• Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren jeweils nur schematisch sind. Es zeigen:
• 1: ein Schaltbild eines Konverters mit einer beschriebenen Multi-Port-Multi-Zellen-Anordnung,
• 2: ein Ersatzschaltbild einer Konverterzelle,
• 3: eine Darstellung der Wirkungsweise einer Vollbrücke,
• 4: eine Darstellung des phasenverschobenen Betriebs mehrerer Konverterzellen,
• 5: ein Beispiel für unterschiedliche Leistungseingänge an Anschlüssen des Konverters,
• 6 ein Beispiel für eine Steuerung des Konverters mit einem übergeordneten Regler, und
• 7 ein Beispiel für ein Verhalten des Konverters bei Spannungs- und Leistungsänderungen.
• Die vorgestellte Multi-Port-Multi-Zellen-Topologie eines Konverters K ermöglicht omnidirektionalen Leistungsfluss zwischen drei galvanisch getrennten Gleichspannungsquellen. Sie besteht bevorzugt aus mehreren identischen Drei-Port-Zellen Z_1,2,n, welche in Abhängigkeit der Höhe der angelegten Portspannungen des Gesamtsystems entweder in Serie oder parallel verschaltet werden. In 1 ist der Konverter K mit einer Mehrzahl von Zellen Z_1,2,n gezeigt. Der Konverter K hat drei Anschlüsse A, B, und C, wobei Anschluss A einem Stromversorgungsnetz Q_AC, Anschluss B einem Hochspannungsnetz Q_HV und Anschluss C einem Niederspannungs-Netz QNV zugeordnet ist.
• Jede Zelle besteht aus drei Vollbrücken VB und einem Transformator T mit drei Wicklungen -W_x,A W_x,B W_x,C bzw. Transformatorspulen sowie drei Zellenanschlüssen ZA_x,A, ZA_x,B und ZA_x,C. Hierbei steht der erste Index „x“ für die Nummer der jeweiligen Konverterzelle und der zweite Index „A, B, C“ für die einzelnen Anschlüsse der mit „x“ bezeichneten Konverterzelle. Die Zellenanschlüsse ZA_x,A, ZA_x,B und ZA_x,C sind mit den Vollbrücken VB jeweils mit einer zugeordneten Wicklungen elektrisch verbindbar, um die Transformatorspulen W_x,A W_x,B W_x,C zu schalten. Die Vollbrücken VB weisen jeweils eine Schaltung mit vier Transistoren/Leistungsschaltern S_B,ka, S_B,kb, S_B,kc und S_B,kd auf, wobei hier der erste Index (hier Beispielhaft „B“) jeweils für den einzelnen Zellenanschluss, der Index k für die jeweilige Konverterzelle und der letzte Index a, b, c für den einzelnen Leistungsschalter der jeweiligen Vollbrücke VB steht. Beispielhaft sind diese Transistoren/Leistungsschalter hier nur für die Vollbrücke VB am Zellenanschluss ZA_1,B gezeigt. Es sind allerdings alle Vollbrücken an allen Zellenanschlüssen ZA_x,A/B/C entsprechend aufgebaut.
• 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Konverterzelle des Konverters. Der Transformator und die Transformatorspulen bzw. Wicklungen bilden hierbei die Induktivitäten Ix,A, Ix,B und Ix,C. Die Volbrücken VB und die Zellenanschlüsse ZA_x,A, ZA_x,B und ZAx,c sind hier entsprechend zur 1 in schematischer Weise dargestellt.
• 3 zeigt wie sich Spannungs- und Stromformen mit einer einzelnen Vollbrücke einer Konverterzelle einstellen lassen. Hier wird durch Verwendung der einzelnen Transistoren der Vollbrücke ein Spannungsverlauf erzeugt, der durch Rechtecksignale einen Wechselstrom breitstellt.
• Im unteren Teil von 3 sind die Schaltstellungen der vier Transistoren/Leistungsschalter SAka, SAkb, SAkc und SAkd der Vollbrücke dargestellt, wobei jeweils 1 einen geöffneten Zustand und 0 einen geschlossenen Zustand des jeweiligen Transistors/Leistungsschalters definiert. Der Index „A“ des jeweiligen Zellenanschluss ist hier nur beispielhaft gewählt. Aus einem Eingangssignal mit einer gleichmäßigen Eingangsspannung wird mit Hilfe dieser Schaltung der Transistoren der Vollbrücke eine rechteckförmige Wechselspannung V_A,k erzeugt, die im oberen Teil der 3 dargestellt ist.
• 4 verdeutlicht den Betrieb von Konverterzellen. Im oberen Teil (a) der 4 sind über die Zeit die Spannungen V_A,k, V_B,k und V_C,k und Ströme i_A,k, i_B,k und i_C,k aufgetragen, die an den drei Zellenanschlüssen einer Konverterzelle während des Betriebs der Konverterzelle anliegen. Die Spannungen sind jeweils Wechselspannungen, die durch den Betrieb der Vollbrücken gemäß 3 erzeugt werden. Zu erkennen ist, dass die Zeitintervalle in denen eine Spannung anliegt an den drei Zellenanschlüssen jeweils unterschiedlich lang sind. Dies wird mit Hilfe der Verwendung der Tastverhältnisse D_A,B,C erreicht. Weiter zu verkennen sind, dass die Zeitintervalle in denen eine Spannung anliegt zueinander verschoben sind. Dies wird durch die Phasenverschiebungen ϕ_AB,k, _AC,k erreicht. Mit Hilfe der einzelnen Vollbrücken der Konverterzelle werden unter Verwendung der Tastverhältnisse D_A,B,C und der Phasenverschiebungen ϕ_{AB, AC} zueinander phasenverschobene Wechselspannungen auf die einzelnen Transformatorspulen der Konverterzelle gegeben, welche die gewünschte Leistungsverteilung zwischen den Zellenanschlüssen (P_A,k + P_B,k + P_C,k=0) bewirken.
• Im unteren Teil (b) der 4 sind die Spannungsverläufe an zwei gleichen Zellenanschlüssen verschiedener Konverterzellen dargestellt. Bevorzugt werden die einzelnen Vollbrücken der verschiedenen Konverterzellen so betrieben dass hier eine Zellenphasenverschiebung ϕcell erreicht wird. So kann eine besonders geringe Strom- und Spannungswelligkeit in den Ausgangskondensatoren bzw. den Ausgangsanschlüssen A, B und C des Konverters insgesamt erzielt werden, wodurch die Kapazität der Ausgangskondensatoren für eine bestimmte geforderte maximale Ausgangsspannungswelligkeit reduziert werden kann.
• 5. zeigt die Leistungsflüsse P_A/B/C, die mit dem Konverter K insgesamt eingestellt werden können. Die Einstellung dieser Leistungsflüsse wird über den in 6 gezeigten übergeordneten RG erreicht, welcher aus den Leistungssollwerten P_A/B/C,soll und den gemessenen Portspannungen V_A/B/C,k an den einzelnen Konverterzellen benötigten Zellenleistungen P_A/B/C,k berechnet. Die Zellenleistungssollwerte P_A/B/C,k,soll setzen sich dabei aus zwei verschiedenen Teilleistungen P_A/B/Cnom,k und P_A/B/Cdiff,k zusammen. Der erste Term ist ein Leistungsmittelwert, welcher für jede Zelle derselbe ist und dafür sorgt, dass die geforderte Gesamtleistung P erreicht wird, während der zweite Leistungsterm die einzelnen Spannungen an den Zellenports bzw. Zellenanschlüssen regelt. Für eine positive Leistung P_X muss somit bei zu hoher Portspannung die Zellenportleistung erhöht werden, damit sich die Spannung über dem zelleninternen Eingangskondensator verringert. Dies geschieht dadurch, dass mehr Ladung aus dem Kondensator abfließt, als durch die restlichen Zellen nachfließen kann. Die Zellenleistungssollwerte P_A/B/C,k,soll werden dann an die einzelnen Regler R_k der einzelnen Konverterzellen weitergegeben, die im rechten Teil der 6 dargestellt sind. Die einzelnen Regler R_k geben dann wiederum für die einzelnen Konverterzellen die Tastverhältnisse D_A/B/C und die Phasenverschiebungswinkel ϕ_AB/AC vor.
• In 7 wird dies exemplarisch anhand eines Zwei-Zellen-Konverters gezeigt. Der Konverter soll eine Leistung von 1kW von Anschluss A nach Anschluss B übertragen, wobei im Mittel keine Leistung in oder aus Anschluss C fließen soll. Das System befindet sich in einem asymmetrischen Zustand, da die Eingangsspannung V_A,1 = 250V grösser als V_A,2= 150V ist, wodurch V_A,1 verringert und V_A,2 erhöht werden muss. Die Portspannungen des Anschlusses B sind symmetrisch verteilt, wodurch für diese keine Spannungsanpassung notwendig ist. Der Regler berechnet nun zunächst die geforderten Eingangsströme I_A,soll und I_B,soll, welche jeweils für beide Zellen derselbe ist, und daraus die jeweils identischen Teilleistungen P_Anom,1 = P_Anom,2 = 500W und P_Bnom,1 = P_Bnom,2 = -500W. Die Leistungs-Korrekturterme des Konvertereingangs A werden anschließend über die Portspannungsfehler (V_A,1 - V_A/2) und (V_A,2-V_A/2) sowie den Absolutbetrag von I_A,soll zu P_Adiff,1 = 125W und P_Adiff,2 = -125W berechnet. Der Betrag des Stromsollwerts ist insbesondere für negative Portleistungen relevant, da ein negativer Portspannungsfehler durch einen negativen Leistungs-Korrekturterm P_A/B/Cdiff,k korrigiert werden muss, was nur mit einem positiven Stromsollwert I_x,soll erreicht wird. Die Leistungs-Korrekturterme des Konverterausgangs B werden zu 0W, da die Portspannungen bereits symmetrisch verteilt sind. Die Zellenleistungssollwerte aus dem Beispiel sind somit P_A,1,soll = 625W, P_A,2,soll = 375W, P_B,1,soll = 500W, P_B,2,soll = -500W, P_C,1,soll = -125W und P_C,2,soll = 125W welche in Summe der geforderten Eingangsleistung des Gesamtsystems P_A,soll = 1kW, der geforderten Ausgangsleistung P_B,soll = -1kW und der Ausgangsleistung P_C,soll = 0W entsprechen. Dieses Regelverfahren hat demnach die gewünschte Stabilisierung der Eingangsspannungen der Zellen zur Folge, ohne die Eingangsleistung P_x des Gesamtsystems zu verändern.
• Obwohl die durchschnittliche Leistung im Konverter-Anschluss C (P_c) mit 0W (siehe 7) der geforderten Leistung des Gesamtsystems entspricht, ist dieser Port zwingend notwendig, da über diesen die Leistungsdifferenzen P_C,k ausgeglichen werden, damit in jeder Zelle wieder die oben genannte Bedingung P_A,k+P_B,k+P_C,k = 0 erfüllt wird.
• Die so erhaltenen Zellenleistungen werden anschließend den zelleninternen Reglern weitergeleitet, welche ihrerseits die entsprechenden Parameter D_A, D_B, D_C, ϕ_AB, und ϕ_AC berechnen. Somit werden während des Konverterbetriebs jederzeit symmetrische Leistungsverteilungen und stabiler Betrieb garantiert.

Claims (11)

1. Konverter (K) zum Steuern von Leistungsflüssen zwischen mindestens drei Stromnetzwerken (Q_AC, Q_HV, Q_NV), mit unterschiedlichen Betriebsspannungen (U_A, U_B, U_C) umfassend: mindestens drei Anschlüsse (A, B,C), die jeweils zum elektrischen Kontaktieren eines der drei Stromnetzwerke (Q_NV, Q_HV, Q_AC) eingerichtet sind; mindestens zwei Konverterzellen (Z₁, Z_2...) mit jeweils einem Transformator (T) aufweisend mindestens drei Transformatorspulen (W_1,A, W_1,B, W_1,C ,W_2,A, W_2,B, W_2,C,...), wobei mindestens einer der Anschlüsse (A, B, C) mit einer Serienschaltung von Konverterzellen (Z₁, Z_2,...), verbunden ist, während mindestens ein anderer der Anschlüsse (A, B, C) mit einer Parallelschaltung von Konverterzellen (Z₁, Z_2,...) verbunden ist.
2. Konverter (K) nach Anspruch 1, wobei ein erster Anschluss A zum Kontaktieren eines Stromversorgungsnetz (Q_AC) vorgesehen ist und mit einer Serienschaltung von Konverterzellen (Z₁, Z_2...) verbunden ist.
3. Konverter (K) nach Anspruch 2, wobei ein zweiter Anschluss (B) zum Kontaktieren eines Hochspannungsnetzwerks (Q_HV) eines Kraftfahrzeuges eingerichtet ist und mit einer Schaltung sämtlicher Konverterzellen (Z₁, Z_2,...) des Konverters (K) verbunden ist.
4. Konverter (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein dritter Anschluss (C) zum Kontaktieren eines Niederspannungsnetzwerks (Q_NV) vorgesehen ist und mit einer Parallelschaltung von Konverterzellen (Z₁, Z_2...) verbunden ist.
5. Konverter (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konverterzellen (Z₁, Z_2,...) für jede Transformatorspule (W_1,A, W_1,B, W_1,C ,W_2,A, W_2,B, W_2,C,_...) einen Anschluss mit einer Vollbrücke (VB) aufweisen, mit welcher der Anschluss geschaltet werden kann.
6. Konverter (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der drei Anschlüsse (A, B,C) mit einem Kondensator (C) verbunden ist.
7. Konverter (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Konverterzellen (Z₁, Z_2,Z_n) des Konverters gleich aufgebaut sind.
8. Konverter (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen den Konverterzellen (Z_1, Z_2, Z_n) übergeordneten Regler.
9. Konverter (K) nach Anspruch 8, wobei der übergeordnete Regler dazu eingerichtet ist eine Vorgabe von Leistungen (P_A, P_B, P_C) an den einzelnen Anschlüssen (A, B, C) zu empfangen und hierauf basierend eine Vorgabe von Leistungen (P_A,1, P_B,1, P_C,1, P_A,2, P_B,2, P_C,2, P_A,n, P_B,n, P_C,n) für die einzelnen Konverterzellen (Z_1, Z_2, Z_n) zu bestimmen.
10. Konverter (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Konverterzelle (Z₁, Z_2, Z_n) einen Zellenregler aufweist.
11. Konverter (K) nach Anspruch 10, wobei jeder Zellenregler dazu eingerichtet ist basierend auf einer Vorgabe von Leistungen an Zellenkonverterports (ZA_1,A, ZA_1,B, ZA_1,C, ZA_2,A, ZA_2,B, ZA_2,C...) die folgenden Parameter anzupassen: - D_A, Tastverhältnis am Konvertereingang A - D_B, Tastverhältnis am Konvertereingang B - D_C, Tastverhältnis am Konvertereingang C - ϕ_AB Phasenverschiebungswinkel zwischen den Konvertereingängen A und B, und - ϕ_AC Phasenverschiebungswinkel zwischen den Konvertereingängen A und B.

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