DE102018003642B4 - Modulare Wechselrichter mit Batterien als Energiespeicher für dreiphasige Elektromotoren - Google Patents

Abstract

Dreiphasiger Wechselrichter für die Versorgung eines dreiphasigen Elektromotors (M), insbesondere für einen Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs, mit Batterien (2a...2n, 2c...2m) als Energiespeicher, welcher aus verschalteten Batteriemodulen (1a...1n, 1c...1m) besteht, wobei- der dreiphasige Wechselrichter aus zwei einphasigen Wechselrichter W1 und W2 besteht, welche aus Batteriemodulen 1a ... 1n für W1 und 1c ... 1m für W2 gebildet werden, die vorzugsweise in Reihe geschaltet sind,- jedes Batteriemodul 1a ...1n, 1c...1m eine Batterie 2a...2n, 2c...2m aufweist, welche in der Regel aus einzelnen Batteriezellen besteht, die mit einander parallel und/oder in Reihe geschaltet sind,- jedes Batteriemodul vier leistungselektronischen Schaltelementen 3a, 3b, 3c, 3d sowie einen ersten Anschluss a und einen zweiten Anschluss b aufweis,- der + Anschluss der Batterie in jedem Batteriemodul über das Schaltelement 3a von dem zweiten Anschlusspol b und über das Schaltelement 3c mit dem ersten Anschluss a trennbar oder koppelbar ist,- der - Anschluss der Batterie in jedem Batteriemodul über das Schaltelement 3b von dem zweiten Anschlusspol b und über das Schaltelement 3d mit dem ersten Anschluss a trennbar oder koppelbar ist.- die beiden einphasigen Wechselrichter die Anschlüsse C1, D1 für W1 und C2, D2 für W2 aufweisen, wobei die Anschlüsse D1 mit dem Anschluss C2 verbunden wird,- der dreiphasige Wechselrichter drei äußere Anschlüsse L1, L2, L3 aufweist, wobei L1 mit C1, L2 mit D1 sowie C2 und L3 mit D2 verbunden sind,- an die Anschlüsse L1, L2, L3 ein elektrischer Antriebsmotor M angeschlossen wird, wobei die drei Anschlüsse des Motors 7, 8, 9 mit den Anschlüssen des dreiphasigen Wechselrichters L1, L2, L3 verbunden sind.- die Anschlüsse L1, L3 des dreiphasigen Wechselrichters für die Ladung der Batterien (2a...2n, 2c...2m) von einer externen Gleichstromversorgung (5) oder einer einphasigen Wechselstromversorgung (5) mit den Anschlüssen 13, 14 der Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung (5) verbunden sind,- die Spannung Udes einphasigen Wechselrichters W1 und die Spannung Udes Wechselrichters W2 für die Ladung der Batterien von einer externen Gleichstromversorgung (5) oder einer einphasigen Wechselstromversorgung (5) gemäß Gleichungengebildet werden, sodass die Ladespannung bis zu zweimal größer als die Spannung eines einphasigen Wechselrichters und bis zu zweimal größer als die maximale Spannung des Systems bei Speisung eines Antriebsmotors ist,- der Strom Ides einphasigen Wechselrichters W1 und der Strom Ides Wechselrichters W2 für die Ladung der Batterien von einer externen Gleichstromversorgung (5) oder einer einphasigen Wechselstromversorgung (5) gemäß Gleichungengebildet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft einen dreiphasigen Wechselrichter für die Versorgung eines dreiphasigen Elektromotors, insbesondere für einen Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs, mit Batterien als Energiespeicher, welcher aus verschalteten Batteriemodulen besteht. Der Wechselrichter wird auch für die Aufladung der Batterien von externen Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung eingesetzt. Die Erfindung betrifft außerdem entsprechende Steuerungsverfahren für die Ladung der Batterien und für die Versorgung des Antriebsmotors.
• Größere Batteriespeichersysteme können in der Stromversorgung oder in Elektroautos zum Einsatz kommen. Solche Systeme benötigen meist eine Batteriespannung von bis zu mehreren hundert Volt. Da die Zellspannung einer Batterie jedoch lediglich einige Volt beträgt (z.B. 3,7 V bei der Lithium-Ionen-Batterie), müssen viele einzelne Batteriezellen zu einem Batteriepack in Reihe geschaltet werden. Fabrikationsbedingt weist jede Zelle eines solchen Batteriepacks leichte Unterschiede in ihren Eigenschaften auf, wie zum Beispiel der Zellkapazität, der Selbstentladungsrate und der Temperaturcharakteristik. Im Laufe der Zeit werden diese Differenzen durch Alterungseffekte zusätzlich verstärkt. Dies hat zur Folge, dass beim Ladungsvorgang einige Zellen ihren maximal möglichen Ladungsstand noch nicht erreicht haben, während andere bereits vollständig aufgeladen sind. Das Überladen einzelner Zellen kann zur Schädigung bis hin zur Zerstörung führen. Um besagtes zu verhindern, muss der Ladevorgang vorzeitlich abgebrochen werden. Beim Entladungsvorgang verhält es sich ähnlich. Während einige Zellen bereits vollkommen entladen sind, speichern andere durchaus noch ausreichend Energie, um beispielsweise ein Fahrzeug weiter anzutreiben. Im Beispiel des Fahrzeugs, müsste jedoch der Fahrtbetrieb abgebrochen werden, da sonst die schwächeren Zellen zu tief entladen werden, welches, wie bei der Überladung, zur Zerstörung dieser Zellen führen kann. Um also einen reibungslosen Ladungs- und Entladungsvorgang zu gewährleisten, ist der Einsatz eines Batteriemanagementsystems für den Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen zwingend notwendig [1].
• Das zurzeit am weitesten verbreitete Verfahren ist der passive Ladungsausgleich. Dabei werden bereits voll aufgeladene Batteriezellen über einen Widerstand wieder entladen, um das weitere Laden anderer Zellen zu ermöglichen. Ein Nachteil ist jedoch, dass hierbei wertvolle, elektrische Energie verloren geht und es zudem keine Lösung für den Entladungsvorgang bietet.
• Diese Probleme können mithilfe eines aktiven Ladungsausgleichs behoben werden. Bei dieser Technik sind jedoch aufwendige Schaltungen mit leistungselektronischen Bauteilen und komplizierter Steuerung erforderlich [1]. Für induktive Ausgleichschaltungen werden beispielsweise zwei MOSFETs pro Batteriezelle benötigt; für kapazitive derer sogar vier. Weiter sind Drosseln, Transformatoren oder Kondensatoren als Energiespeicher notwendig.
• Zur Erzeugung von Drehspannungen z.B. für die elektrischen Maschinen in einem Elektroauto werden selbstgeführte Wechselrichter eingesetzt. Bei den meisten Anwendungen besteht der Wechselrichter aus sechs leistungselektronischen Ventilen, die zu einer Drehstrombrücke zusammen geschaltet sind. Bei einem solchen „Zweipunkt-Wechselrichter“ werden die sinusförmigen Wechselspannungen aus pulsförmigen Spannungen mit drei Spannungslevel (0, ±U_DC) erzeugt. Die Höhe der Spannungspulse ist von der Batteriespannung U_DC abhängig und damit konstant. Um Wechselspannungen zu generieren, kann als Stellglied die Zeitdauer der Spannungspulse variiert werden. Sie wird in der Regel mit dem Verfahren der Pulsweitemodulation (PWM) berechnet. In diesem Fall haben die Wechselspannungen jedoch hohe Störspannungen in den überlagerten Frequenzen. Um die Spannungsoberschwingungen zu reduzieren, müssen die Taktfrequenzen des Wechselrichters deshalb erhöht werden. In der Regel liegen die Taktfrequenzen eines modernen Umrichters im Bereich mehrerer kHz bis hin zu 100 kHz. Dadurch steigen aber auch die Schaltverluste der Wechselrichter proportional zu der Taktfrequenz.
• Für die Aufladung der Batterien durch eine externe Wechselspannungsversorgung (z.B. von einem Hausanschluss oder von einer Ladesäule für Elektroautos) kann der Wechselrichter für die Umwandlung der Wechselspannung auf Gleichspannung eingesetzt werden. Die Voraussetzung dafür ist, dass die Batteriespannung höher als die Spitzspannung der Wechselstromversorgung ist.
• In einem Niederspannungsnetz beträgt diese Spitzspannung 360V für eine einphasige Versorgung und 620V für eine dreiphasige Versorgung. Da die Höhe der Batteriespannung wegen Probleme der Sicherheit und des Ladungsausgleiches begrenzt ist, ist für die meisten Elektroautos ein separates Ladegerät erforderlich, was zusätzliche Kosten für ein Elektroauto bedeutet.
• Bei Aufladung der Batterie mit einer externen Gleichspannung (z.B. von einer Ladesäule für ein Elektroauto) kann die Ladezeit durch die Erhöhung der Ladespannung reduziert werden. Die Erhöhung der Ladespannung führt zwingend zur Erhöhung der Batteriespannung. Beim dem herkömmlichen System mit einem IGBT-Wechselrichter und direkt in Reihe geschalteten Batteriezellen ist die maximale Spannung des Systems (Betriebsspannung) immer gleich der maximalen Batteriespannung. Die Erhöhung der Ladespannung führt zu Erhöhung der Sperrspannung von IGBT und Isolation des Systems und somit zu einer deutlichen Erhöhung der Kosten.
• Um diese Probleme zu umgehen, werden Multi-Level-Wechselrichter eingesetzt, bei denen die Anzahl der Spannungsstufen erhöht wird [3]. Bei einer vorgegebenen Spannungsqualität können so die Taktfrequenzen und somit die Schaltverluste des Wechselrichters reduziert werden. Ein Konzept des Multi-Level-Umrichters ist, wie in 1 dargestellt, die sogenannte „kaskadierte H-Brücke“ [2] [3]. Bei dieser Technik werden die einzelnen Batteriezellen nicht direkt, sondern über leistungselektronische H-Brücken (2) in Reihe geschaltet. Die einphasige sinusförmige Ausgangsspannung wird hier nicht durch pulsförmige, sondern durch kleinstufige, treppenförmige Spannungen erzeugt [2]. Die Höhe der kleinsten Spannungsstufe ist dabei gleich der Zellspannung der eingesetzten Batterien (z.B. 3,7 V). Die Taktfrequenz der Ventile und damit ihre Schaltverluste können dadurch stark reduziert werden.
• Da die einzelnen Batteriezellen jeweils über eine separate H-Brücke geschaltet werden können, ist ein Ladungsausgleich der Batteriezellen möglich. Beim Ausfall einzelner Batteriezellen kann der Wechselrichter mit den gesunden Zellen weiter betrieben werden. Die Verfügbarkeit ist hier viel höher als bei der konventionellen Technik mit der direkten Reihenschaltung der Batteriezellen. Defekte Batteriezellen werden ausgeschaltet und überbrückt und können daher sicher ausgewechselt werden. Diese Schaltung stellt also eine Kombination eines Multi-Level-Wechselrichters, eines aktiven Ladungsausgleiches und eines verteilten Batteriemanagements dar. Vorteilhaft für die Sicherheit ist, dass nur eine Batteriezelle bei einer Störung in der Schaltung kurzgeschlossen werden kann. Der Fehlerstrom und die dabei freigesetzte Energie sind deutlich geringer als in der konventionellen Beschaltung. Außerdem liegt nach Ausschaltung des Wechselrichters nur die Spannung einer Batteriezelle vor. Dies erleichtert die Wartungsarbeit erheblich. Weiter können Batterien unterschiedlichen Alters und unterschiedlichen Typs im selben Batterieblock eingesetzt werden. Dies ermöglicht den Ersatz von defekten Batteriezellen und erhöht damit die Nutzungsdauer eines Batterieblocks erheblich.
• Als leistungselektronische Ventile in der H-Brücke können MOSFETs mit niedrigen Sperrspannungen eingesetzt werden. Solche Bauelemente haben im Vergleich mit den anderen Leistungshalbleiterventilen keine Durchlassspannung und sehr niedrige Durchlasswiderstände (unter 1 mΩ). Des weiterem sind die Preise von solchen MOSFETs sehr niedrig. Daher werden keine hohen Durchlassverluste und keine hohen Kosten durch die Reihenschaltung von vielen MOSFETs hervorgerufen. Ein Beispiel für solche Bauteile ist der PSMN1R0-30YLC der Firma NXP mit Sperrspannung von 30V, Dauerstrom von 100A und Durchlasswiderstand von 0,85mΩ.
• In 1 wird ein einphasiger Wechselrichter aus Batteriemodulen dargestellt. Für die Versorgung von Motoren werden aber dreiphasige Drehspannungen benötigt. Zur Erzeugung der Drehspannungen kann die in [2] dargestellte Schaltung mit drei einphasigen Wechselrichtern eingesetzt werden. Bei dieser Schaltung können die Batterien mit Hilfe des Wechselrichters von einer externen dreiphasigen Drehspannung (z.B. von einer Ladesäule für Elektroautos) geladen werden. Für das Laden mit einer externen Gleichspannung oder einphasigen Wechselspannung müssen die drei Anschlüsse a, b und c parallelgeschaltet werden. Die Ladespannung liegt zwischen den Anschlüssen a, b, c (zusammengeschaltet) und dem Sternpunkt n. Der Gesamtladestrom muss somit auf die drei Phasen aufgeteilt werden. Da der Ladestrom von der Stromversorgung begrenzt ist, z.B. auf 16 A oder 32 A, beträgt der Ladestrom für Batterien in der einzelnen Phase nur noch ein Drittel des Gesamtladestroms. Die Batterien können daher nur langsam geladen werden, was für Elektroautos von großem Nachteil ist. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist, dass ein Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen in unterschiedlichen Phasen nicht möglich ist.
• Quellen:
• [1] J. Qi, D. Lu. Review of Battery Cell Balancing Techniques. Australasian Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2014, Curtin University, Perth, Australia, 28 Sept. 1 Oct. 2014
• [2] M. Malinowski, J. Rodriguez. A Survey on Cascaded Multilevel Inveters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, N. 7, July 2010
• [3] B. Sarrazin, N. Rouger, J.P. Ferrieux. Benefits of cascaded inverters for electrical vehicles' drive-trains. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE
• Die Aufgaben der Erfindung sind, den Ladestrom und die Ladespannung zu erhöhen und damit die Ladezeit der Batterien zu reduzieren ohne dabei die maximale Spannung des Systems bei der Speisung des Antriebsmotors zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine dreiphasige Spannungsversorgung mit einer einfacheren Schaltung zu generieren.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist die Versorgung eines dreiphasigen Elektromotors, insbesondere für einen Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs, mit einem Batterieblock mit verschalteten Batteriemodulen. Ein Batteriemodul besteht aus einer Batterie und vier leistungselektronischen Schaltern, z.B. MOSFETs (2). Durch die Verschaltung von Batteriemodulen gemäß 1 wird ein einphasiger Wechselrichter gebildet, welcher eine Wechselspannung an seine Anschlüsse C und D liefern kann.
• In einer vorteilhaften Schaltung der Erfindung werden zwei derartige einphasige Wechselrichter W1 und W2 zusammengeschaltet (3). Die beiden Wechselrichter sollen vorzugsweise dieselbe Anzahl von Batteriemodule oder Batteriezellen besitzen. Die Anschlüsse des Wechselrichters W1 sind C1 und D1 und die Anschlüsse des Wechselrichters W2 C2 und D2. Die Anschlüsse D1 und C2 sind mit einander verbunden. Dadurch entsteht erfindungsgemäß ein dreiphasiger Wechselrichter mit den drei Anschlüssen L1, L2, L3. L1 ist mit C1, L2 mit D1 sowie C2 und L3 mit D2 verbunden. Für die Schaltung der Erfindung gelten nun die Spannungs- und Stromgleichungen: $$U_{L\mathrm{1,}L2}+U_{L\mathrm{2,}L3}+U_{L\mathrm{3,}L1}=0$$

  

  $$I_{L1}+I_{L2}+I_{L3}=\mathrm{0,}$$

  

  wobei U_L1,L2 die Spannung zwischen L1, L2, U_L2,L3 die Spannung zwischen L2, L3, U_L3,L1 die Spannung zwischen L3, L1 ist und I_L1 , I_L2 , I_L3 die Ströme der drei Anschlüsse L1, L2, L3 sind. U_L1,L2 ist auch die Spannung des einphasigen Wechselrichters W1 und U_L2,L3 die Spannung des Wechselrichters W2.
• Für die Speisung eines dreiphasigen Drehstrommotors wird eine symmetrische dreiphasige Drehspannung benötigt. In diesen Fall müssen die Spannungen und Ströme der drei Phasen die gleiche Amplitude und eine Phasenverschiebung gegen einander von jeweils 120° haben: $$U_{L\mathrm{1,}L2}=\widehat{U}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

  

  $$U_{L\mathrm{2,}L3}=\widehat{U}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t-120\text{°}\right)$$

  

  $$U_{L\mathrm{3,}L1}=\widehat{U}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t-240\text{°}\right)$$

  

  $$I_{L1}=\widehat{I}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

  

  $$I_{L2}=\widehat{I}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t-120\text{°}\right)$$

  

  $$I_{L3}=\widehat{I}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t-240\text{°}\right).$$

  
• Û und Î sind dabei die Amplitude der Spannungen und Ströme und f die Frequenz. Für solche Spannungen und Ströme gelten dann automatisch die Gleichungen (1) und (2).
• Erfindungsgemäß werden die Spannungen U_L1,L2 und U_L2,L3 von den beiden einphasigen Wechselrichtern W1 und W2 nach (3) bzw. (4) erzeugt. Die Spannung U_L3,L1 ist wegen (1) eine Wechselspannung mit der gleichen Amplitude Û wie U_L1,L2 und U_L2,L3 sowie eine Phasenverschiebung zu U_L2,L3 von 120°. Die Gleichung (5) wird daher für U_L3,L1 erfüllt. Diese Beziehungen gelten wegen (2), (6), (7) und (8) ebenfalls für die Ströme I_L1 , I_L2 , I_L3 , wenn die Ströme I_L1 , I_L3 der beiden Wechselrichter W1 und W2 erfindungsgemäß nach der Gleichungen (6) und (7) gebildet werden. Mit Hilfe der Schaltung gemäß 3 und Steuerungsverfahren der Erfindung kann somit eine dreiphasige symmetrische Drehstromversorgung gemäß (3)(4)(5)(6)(7)(8) gebildet werden.
• Als vorteilhaft erweist sich das Steuerverfahren der Erfindung ebenfalls für die Ladung der Batterien durch eine externe dreiphasige Wechselstromversorgung (4). Ein zusätzliches Ladegerät wird dabei nicht benötigt.
• Diese Technik ist gemäß der Patentmeldung DE 10 2011 086 545 A1 teilweise bekannt. In dieser Patentmeldung wird jedoch eine Erdung in der Schaltung benötigt. Dies verhindert die Nutzung der Schaltung in den meisten Anwendungen, da alle Anschlüsse der Batterien nach den national und internationalen Normen (z.B. ISO 6469-3) wegen Personensicherheit und Kurzschlussschutz gegenüber Erde oder Gehäuse isoliert werden müssen. Mit dieser Maßnahme führt Berührung oder Erdschluss eines Pols der Batterie nicht zum Personenschaden und Überstrom und gewährleistet damit eine deutliche Erhöhung der Sicherheit des Batteriesystems. Durch die Erdung eines Anschlusses in der Patentmeldung ( DE 10 2011 086 545 A1 ) ist die Sicherheit des Systems nicht sichergestellt und daher in der Praxis nicht anwendbar.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ladespannung und der Ladestrom bei einer Ladung durch eine externe Gleichspannung oder eine einphasige Wechselspannung zu erhöhen und damit die Ladezeit zu reduzieren, ohne dabei die maximale Spannung des Systems bei Speisung eines Antriebsmotors zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Schaltung gemäß 5 und einem entsprechenden Steuerungsverfahren erfüllt.
• Die Ladung durch eine externe Gleichspannung oder eine einphasige Wechselspannung erfolgt in der Erfindung über die Anschlüsse L1 und L3. Der Anschluss L2 wird dabei nicht verwendet und der Strom I_L2 = 0. Der Phasenstrom I_L1 und I_L3 ist somit gleich der Gesamtladestrom I_L = I_L1 = - I_L3. Alle Batterien werden mit dem Gesamtladestrom aufgeladen und nicht wie in der Schaltung nach [2] und Patentmeldung ( US 2013 / 0 127 251 A1 ) mit nur einem Drittel des Gesamtladestroms.
• Erfindungsgemäß werden die Spannungen U_L1,L2 und U_L2,L3 der beiden einphasigen Wechselrichter W1 und W2 bei der Ladung der Batterien nicht, wie nach (3)(4)(5) mit einer Phasenverschiebung von 120° versetzt, sondern gleich phasig, d.h. mit einer Phasenverschiebung von 0°gesteuert: $$U_{L\mathrm{1,}L2}={\widehat{U}}_1\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

  

  $$U_{L\mathrm{2,}L3}={\widehat{U}}_2\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right).$$

  

  Diese Gleichungen gelten auch, wenn die Batterien mit einer Gleichspannung aufgeladen werden. In diesem Fall ist die Frequenz f gleich Null, d.h. f = 0 für DC.
• Das hat den Vorteil, dass die maximale Ladespannung zwischen L1 und L3 U_L1,L3 doppelte so groß ist wie die Spannungen U_L1,L2 oder U_L2,L3 wenn die beiden Amplituden Û₁ und Û₂ gleich groß sind. Mit der Schaltung (5) und dem Steuerverfahren der Erfindung kann somit die Ladespannung verdoppelt werden, ohne dabei die maximale Spannung des Systems bei Speisung eines Antriebsmotors zu erhöhen. Dies führt nicht nur zur Reduktion der Kosten, sondern auch zur Erhöhung der Sicherheit. Bei einem gleichbleibenden Ladestrom bedeutet die Vordoppelung der Ladespannung eine Halbierung der Ladezeit, was für Elektroautos von großem Vorteil ist.
• Für die Ströme I_L1 und I_L3 gelten in diesem Fall die Gleichungen: $$i_{L1}=\widehat{I}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

  

  $$i_{L3}=\widehat{I}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right).$$

  

  Diese Gleichungen gelten auch, wenn die Batterien mit einer Gleichspannung aufgeladen werden. In diesem Fall ist die Frequenz f gleich Null, d.h. f = 0 für DC.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Ladungsausgleich für alle Batteriezellen während der Ladung der Batterien möglich ist.
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
• 1: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines einphasigen Wechselrichters mit verschalteten Batteriemodulen;
• 2: ein Ersatzschaltbild eines beispielhaften Batteriemoduls;
• 3: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines dreiphasigen Wechselrichters mit verschalteten Batteriemodulen für die Versorgung eines dreiphasigen Antriebsmotors;
• 4: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines dreiphasigen Wechselrichters mit verschalteten Batteriemodulen für die Aufladung der Batterien von einer externen dreiphasigen Wechselstromversorgung;
• 5: ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines dreiphasigen Wechselrichters mit verschalteten Batteriemodulen für die Aufladung der Batterien von einer externen Gleichstromversorgung oder einer einphasigen Wechselstromversorgung;
• 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines einphasigen Wechselrichters mit verschalteten Batteriemodulen. Der Wechselrichter weist verschaltete Batteriemodule 1a, 1b, ... 1n auf, welche im gezeigten Beispiel in Reihe geschaltet sind. Jedes Batteriemodul 1a, 1b, ... 1n weist dabei eine Batterie 2a, 2b, .... 2n auf. Eine Batterie besteht in der Regel aus vielen einzelnen Batteriezellen, die mit einander parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Der Wechselrichter weist zwei äußere Anschlüsse C und D auf. Der erste Anschluss C ist mit dem Anschluss a des ersten Batteriemoduls 1a verbunden und der zweite äußere Anschluss D mit dem Anschluss b des letzten Batteriemoduls verbinden.
• In 2 ist ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Batteriemoduls dargestellt. Das Batteriemodul 1 weist eine Batterie 2 und vier leistungselektronischen Schaltelementen 3a, 3b, 3c, 3d sowie einen ersten Anschluss a und einen zweiten Anschluss b auf. Der + Anschluss der Batterie ist über das Schaltelement 3a von dem zweiten Anschlusspol b und über das Schaltelement 3c mit dem ersten Anschluss a trennbar oder koppelbar. Der - Anschluss der Batterie ist über das Schaltelement 3b von dem zweiten Anschlusspol b und über das Schaltelement 3d mit dem ersten Anschluss a trennbar oder koppelbar. In der gezeigten Ausführungsform sind die vier Schallelemente 3a, 3b, 3c, 3d ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
• In 3 wird ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines dreiphasigen Wechselrichters mit verschalteten Batteriemodulen für die Versorgung eines dreiphasigen Antriebsmotors dargestellt. Der dreiphasige Wechselrichter weist zwei einphasige Wechselrichter W1 und W2 auf. Die beiden einphasigen Wechselrichter W1 und W2 bestehen aus Batteriemodulen 1a ... 1n für W1 und 1c ... 1m für W2, welche im gezeigten Beispiel in Reihe geschaltet sind. Jedes Batteriemodul 1a ...1n, 1c...1m weist dabei eine Batterie 2a...2n, 2c...2m auf. Eine Batterie besteht in der Regel aus vielen einzelnen Batteriezellen, die mit einander parallel und/oder in Reihe geschaltet sind. Die beiden einphasigen Wechselrichter weisen die Anschlüsse C1, D1 für W1 und C2, D2 für W2 auf. Der Anschluss D1 wird mit dem Anschluss C2 verbunden. Der dreiphasige Wechselrichter hat damit drei äußere Anschlüsse L1, L2, L3, wobei L1 ist mit C1, L2 mit D1 sowie C2 und L3 mit D2 verbunden ist. An die Anschlüsse L1, L2, L3 wird ein elektrischer Antriebsmotor M angeschlossen. Die drei Anschlüsse des Motors 7, 8, 9 werden mit den Anschlüssen des dreiphasigen Wechselrichters L1, L2, L3 verbunden. U_L1,L2 ist die Spannung des einphasigen Wechselrichters W1 und die Spannung zwischen L1, L2. U_L2,L3 ist die Spannung des Wechselrichters W2 und die Spannung zwischen L2, L3. U_L3,L1 ist die Spannung zwischen L3, L1. I_L1 , I_L2 , I_L3 sind die Ströme über die drei Anschlüsse L1, L2, L3, wobei I_L1 der Strom des einphasigen Wechselrichters W1 und I_L3 der Strom des Wechselrichters W2 ist.
• In 4 wird ein Ersatzschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines dreiphasigen Wechselrichters mit verschalteten Batteriemodulen für die Aufladung der Batterien (2a...2n, 2c...2m) von einer externen dreiphasigen Wechselstromversorgung (4) dargestellt. Wie in 3 beschrieben, besteht der dreiphasige Wechselrichter aus zwei einphasigen Wechselrichtern W1, W2 und weist drei äußere Anschlüsse L1, L2, L3 auf. Die Batterien (2a...2n, 2c...2m) werden in 4 von einer dreiphasigen Wechselstromversorgung (4) aufgeladen. Die drei Anschlüsse der Stromversorgung 10, 11, 12 werden mit den Anschlüssen des dreiphasigen Wechselrichters L1, L2, L3 verbunden.

Claims (1)

1. Dreiphasiger Wechselrichter für die Versorgung eines dreiphasigen Elektromotors (M), insbesondere für einen Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs, mit Batterien (2a...2n, 2c...2m) als Energiespeicher, welcher aus verschalteten Batteriemodulen (1a...1n, 1c...1m) besteht, wobei - der dreiphasige Wechselrichter aus zwei einphasigen Wechselrichter W1 und W2 besteht, welche aus Batteriemodulen 1a ... 1n für W1 und 1c ... 1m für W2 gebildet werden, die vorzugsweise in Reihe geschaltet sind, - jedes Batteriemodul 1a ...1n, 1c...1m eine Batterie 2a...2n, 2c...2m aufweist, welche in der Regel aus einzelnen Batteriezellen besteht, die mit einander parallel und/oder in Reihe geschaltet sind, - jedes Batteriemodul vier leistungselektronischen Schaltelementen 3a, 3b, 3c, 3d sowie einen ersten Anschluss a und einen zweiten Anschluss b aufweis, - der + Anschluss der Batterie in jedem Batteriemodul über das Schaltelement 3a von dem zweiten Anschlusspol b und über das Schaltelement 3c mit dem ersten Anschluss a trennbar oder koppelbar ist, - der - Anschluss der Batterie in jedem Batteriemodul über das Schaltelement 3b von dem zweiten Anschlusspol b und über das Schaltelement 3d mit dem ersten Anschluss a trennbar oder koppelbar ist. - die beiden einphasigen Wechselrichter die Anschlüsse C1, D1 für W1 und C2, D2 für W2 aufweisen, wobei die Anschlüsse D1 mit dem Anschluss C2 verbunden wird, - der dreiphasige Wechselrichter drei äußere Anschlüsse L1, L2, L3 aufweist, wobei L1 mit C1, L2 mit D1 sowie C2 und L3 mit D2 verbunden sind, - an die Anschlüsse L1, L2, L3 ein elektrischer Antriebsmotor M angeschlossen wird, wobei die drei Anschlüsse des Motors 7, 8, 9 mit den Anschlüssen des dreiphasigen Wechselrichters L1, L2, L3 verbunden sind. - die Anschlüsse L1, L3 des dreiphasigen Wechselrichters für die Ladung der Batterien (2a...2n, 2c...2m) von einer externen Gleichstromversorgung (5) oder einer einphasigen Wechselstromversorgung (5) mit den Anschlüssen 13, 14 der Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung (5) verbunden sind, - die Spannung U_L1,L2 des einphasigen Wechselrichters W1 und die Spannung U_L2,L3 des Wechselrichters W2 für die Ladung der Batterien von einer externen Gleichstromversorgung (5) oder einer einphasigen Wechselstromversorgung (5) gemäß Gleichungen $$U_{L\mathrm{1,}L2}={\widehat{U}}_1\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

   

   $$U_{L\mathrm{2,}L3}={\widehat{U}}_2\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

   

   $$f=0fürDC,$$

   

   gebildet werden, sodass die Ladespannung bis zu zweimal größer als die Spannung eines einphasigen Wechselrichters und bis zu zweimal größer als die maximale Spannung des Systems bei Speisung eines Antriebsmotors ist, - der Strom I_L1 des einphasigen Wechselrichters W1 und der Strom I_L3 des Wechselrichters W2 für die Ladung der Batterien von einer externen Gleichstromversorgung (5) oder einer einphasigen Wechselstromversorgung (5) gemäß Gleichungen $$i_{L1}=\widehat{I}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

   

   $$i_{L3}=\widehat{I}\cdot cos\left(2\cdot \pi \cdot f\cdot t\right)$$

   

   $$f=0fürDC,$$

   

   gebildet werden.

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