DE102018109153A1

DE102018109153A1 - Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen Gegentaktflusswandlers, sowie bidirektionaler Gegentaktflusswandler und Anordnung umfassend einen Energiespeicher und den bidirektionalen Gegentaktflusswandler

Info

Publication number: DE102018109153A1
Application number: DE102018109153.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Wölfel
Original assignee: Asd Automatic Storage Device GmbH
Current assignee: Asd Automatic Storage Device GmbH
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen Gegentaktflusswandlersmit einer Eingangsstufe (2) zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung (U) in eine erste Wechselspannung (U), einem mindestens eine Primärwicklung (3) und mindestens eine Sekundärwicklung (4) aufweisenden Transformator (5) zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung (U) und einer Ausgangsstufe (6) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung (U) in eine zweite Gleichspannung (U) wobei eine Steuereinrichtung (13) ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) zwei H-Schaltbrücken (12, 15) mit Hilfe der Steuereinrichtung (13) abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator (5) während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke (15) sich eine pulsmodulierte Gleichspannung (U) ergibt und wobei während eines Umschaltzeitintervalls tdie Halbleiterschaltelementpaare der beiden H-Schaltbrücken (12, 15) derart geschaltet werden, dass ein Kurzschluss erzeugt wird, wobei die während des Umschaltzeitintervalls erzeugte Leistung durch die Steuereinrichtung durch Einstellung des Umschaltzeitintervalls gesteuert wird, sowie ein Gegentaktflusswandler und eine Anordnung mit diesem Gegentaktflusswandler.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen Gegentaktflusswandlers mit einer Eingangsstufe zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung und einer Ausgangsstufe zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen bidirektionalen Gegentaktflusswandlers, sowie auf eine Anordnung umfassend einen Energiespeicher sowie den vorgenannten Gegentaktflusswandler.
DC-DC-Wandler sind an sich bekannt. Ein typisches Beispiel eines solchen Wandlers wird in der DE 10 2012 111 063 A1 beschrieben. Hier ist in 2 eine ausgangsseitige H-Schaltbrücke angeordnet, welche mit einem Transformator verbunden ist. Eingangsseitig sind zwei Transistoren angeordnet und eine Induktivität L die als Speicherdrossel genutzt werden kann. Die Betriebsweise einer H-Schaltbrücke ist somit eingangsseitig nicht wiedergegeben.
Im Dokument „A current-fed three-port bi-directional DC-DC-Converter“ wird durch H.Krishnaswami und N.Mohan näher erläutert. Hierbei wird u.a. eine Pulsbreitenmodulation mit Stromunterbrechung beschrieben. Problematisch ist dabei der Aufbau von hohen Spannungen durch die Streuinduktivität bei Stromfluss-Unterbrechung.
Eine einseitige Überlappung der positiven und negativen Anteile eines Rechtecksignals ist aus den vorgenannten Dokumenten heraus bereits bekannt.
Ein gattungsgemäßer Gegentaktflusswandler sind beispielsweise aus der DE 10 2014 014 639 A1 bekannt. Dieser Gegentaktflusswandler hat sich bereits bewährt. Er kann in Fotovoltaikanlagen aber auch anderen Energieerzeugungsanlagen, wie z. B. Windkraftanlagen, eingesetzt werden und weist aufgrund eines kurzzeitig absichtlich herbeigeführten Kurzschlusses eine geringe Überspannung verursacht durch die Streuinduktivität beim Umschalten auf. Eine Unterbrechung des Stromflusses tritt anders als bei der vorgenannten pulsbreitenmodulierten Variante bei der DE 10 2014 014 639 A1 nicht auf.
Der Erfindung liegt ausgehend von der DE 10 2014 014 639 A1 die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Gegentaktflusswandlers bereitzustellen, mit welchem die beim Kurzschluss induzierte Strommenge genutzt werden kann, beispielsweise als ein Booster für die Kennlinien-Aussymmetrierung.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und durch das Bereitstellen eines Bidirektionalen Gegentaktflusswandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Ein Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen Gegentaktflusswandlers, insbesondere eines Gegentaktflusswandlers eines Energiespeichers, mit einer Eingangsstufe zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung einem mindestens eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung und einer Ausgangsstufe zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung umfasst zumindest die folgenden Merkmale:

• die Eingangsstufe umfasst eine erste H-Schaltbrücke mit zumindest vier durch eine Steuereinrichtung ansteuerbaren Halbleiterschaltelemente, wobei die Primärwicklung des Transformators in einem Mittelsteg der ersten H-Schaltbrücke angeordnet ist;
• die Ausgangsstufe umfasst eine zweite H-Schaltbrücke mit vier durch die Steuereinrichtung ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen, wobei die Sekundärwicklung des Transformators in einem Mittelsteg der zweiten H-Schaltbrücke angeordnet ist;
• der ersten H-Schaltbrücke ist eingangsseitig eine seriell angeordnete Speicherdrossel vorgeschaltet und der zweiten H-Schaltbrücke ist ausgangsseitig ein parallel angeordneten zweiten Kondensator nachgeschaltet;
• die Steuereinrichtung ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare in den beiden H-Schaltbrücken mit Hilfe der Steuereinrichtung abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator während eines ersten Zeitintervalles in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke sich eine pulsmodulierte Gleichspannung ergibt, wobei
• während eines Umschaltzeitintervalls die Halbleiterschaltelementpaare der beiden H-Schaltbrücken derart geschaltet werden, dass ein Kurzschluss erzeugt wird.

Erfindungsgemäß und im Unterschied zur DE 10 2014 014 639 A1 kann die Steuerung der in der Umschaltzeit erzeugten Leistung insbesondere durch Einstellung das Umschaltzeitintervall erfolgen.
Die Leistung ist somit einstellbar und kann auch genutzt werden. Insbesondere kann die einstellbare Menge an Strom zur Aussymmetrierung von Kennlinien bezüglich des Lade- und Entladeverhalten von Batteriezellen, insbesondere von Batteriezellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, genutzt werden.
Vorteilhaft kann auch die Abgabe der durch die Speicherdrossel aufgenommenen Leistung gesteuert erfolgen.
So kann beispielsweise eine Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Zelle mit Graphit-Anode mit einer Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle mit Graphit-Anode in einem Energiespeicher kombiniert werden, wobei durch die Einstellung des Umschaltzeitintervalls der Boost (also die Strommenge) zur Aussymmetrierung beider Zellen eingestellt werden kann.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn das Umschaltzeitintervall bis zu einem Grenzwert einstellbar ist, wobei der Grenzwert weniger 150 ns, vorzugsweise weniger als 100 ns beträgt. Das Umschaltzeitintervall ist zwar durch die Steuereinheit variierbar, sollte jedoch einen Grenzwert nicht überschreiten. Dieser liegt vorteilhaft unterhalb von 150 ns vorzugsweise unterhalb von 100 ns.
Die erste H-Schaltbrücke ist vorteilhaft auf einer Niedervoltseite angeordnet. Das heißt dass die erste H-Schaltbrücke für den Anschluss an einen Energiespeicher mit einer oder mehreren Batteriezellen vorgesehen ist.
Die zweite H-Schaltbrücke ist auf der Hochvoltseite des Gegentaktflusswandlers angeordnet an welcher die Einspeisung an ein Stromnetz, z.B. ein öffentliches Stromnetz oder ein Gebäudenetz erfolgen kann.
Eine H-Brücke ist eine Vollbrücke, bestehend aus vier Transistoren. Die Halbleiterschaltelemente der Niedervoltseite gemäß Schritt e) derart geschaltet werden, dass ein Kurzschluss erzeugt wird. Konkret bedeutet dies beispielsweise dass bei der H-Schaltbrücke auf der Niedervoltseite bzw. der Hochstromseite zunächst eine Diagonale der H-Schaltbrücke eingeschaltet und Leistung übertragen wird. Dann wird die zweite Diagonale eingeschaltet. Es sind jetzt alle vier Schalter eingeschaltet. Der Transformator wird dadurch kurzgeschlossen. Erst jetzt wird die erste Diagonale abgeschaltet. Dadurch wird über die zweite Diagonale Leistung übertragen. Es ergibt sich eine Überlappung der Einschaltzeiten.
Damit der Kurzschluss nicht auf die angeschlossene Batteriezelle bzw. den Energiespeicher übertragen wird, ist vorzugsweise in der Zuleitung der ersten H-Schaltbrücke, also auf der Niedervoltseite, die Speicherdrossel vorgesehen.
Da es sich typischerweise um hohe Ströme handelt, die dem Transformator und der H-Brücke zugeführt werden, muss eine Unterbrechung des Stromflusses verhindert werden, da sonst hohe Spannungen beim Abschalten des Stromes entstehen würden. Dies ist u.a. ein Unterschied zum vorgenannten Stand der Technik welcher mit Pulsweitenmodulation und Stromunterbrechung arbeitet.
Während des Kurzschlusses nimmt die Drossel Energie auf, die nach der Einschaltzeit-Überlappung, also nach dem Umschaltzeitintervall, in welchem der Kurzschluss erfolgt, an die Hochvoltseite des Transformators weitergegeben wird.
Dabei ist es von Vorteil, wenn das Umschaltzeitintervall derart durch die Steuereinrichtung eingestellt wird, dass die kurzschlussbedingt-induzierte Strommenge hinreichend ist, dass ein Angleichen der Kennlinie (Lade- und/oder EntladeKennlinie) einer an den Gegentaktflusswandler angeschlossenen Batteriezelle gegenüber einer oder mehreren weiteren Batteriezellen des Energiespeichers erfolgt.
Im Umschaltzeitintervall sind vorzugsweise alle Halbleiterschaltelemente der H-Schaltbrücke eingeschaltet.
Mit dem positiven und/oder negativen Anteil eines Rechtecksignals ist ein Signal hinsichtlich der kurzschlussbedingt-induzierten Strommenge überlagert,-welche durch die Steuereinheit geregelt und/oder gesteuert wird. Beispielsweise kann ein vorgegebenes Rechtecksignal dabei vom reellen Rechtecksignal subtrahiert werden, so dass das Signal der kurzschlussbedingt-induzierten Strommenge isolierbar und auswertbar ist.
Es ist von Vorteil, wenn die Einstellung der Umschaltzeit anhand eines Kennlinien-Vergleichswertes erfolgt, wobei

i) eine Kennlinie einer ersten an den Energiespeicher angeschlossenen Batteriezelle ermittelt wird,
ii) die Kennlinie mit einem Vergleichswert, insbesondere einer Kennlinie einer oder mehrerer an den Energiespeicher angeschlossenen zweiten Batteriezellen, verglichen wird und
iii) ein Kennlinien-Vergleichswert auf Grundlage von Schritt ii) ermittelt wird.

Die Kennlinie einer Batteriezelle ist aus ihrer Ruhespannungshysteresekurve herleitbar. Entsprechende Ruhespannungshysteresekurven zweier Batteriezellen sind in den 4 dargestellt. Die Aussymmetrierung der beiden Kurven erfolgt durch die Steuerung des Boosts bzw. der kurzschlussbedingt-induzierten Strommenge.
Ein erfindungsgemäßer bidirektionaler Gegentaktflusswandler umfasst eine Eingangsstufe zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung in eine erste Wechselspannung, einen mindestens eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung aufweisenden Transformator zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung und eine Ausgangsstufe zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung wobei:

• die Eingangsstufe eine erste H-Schaltbrücke mit zumindest vier durch eine Steuereinrichtung ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen umfasst, wobei die Primärwicklung des Transformators in einem Mittelsteg der ersten H-Schaltbrücke angeordnet ist;
• die Ausgangsstufe eine zweite H-Schaltbrücke mit vier durch die Steuereinrichtung ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen umfasst, wobei die Sekundärwicklung des Transformators in einem Mittelsteg der zweiten H-Schaltbrücke angeordnet ist;
• der ersten H-Schaltbrücke eingangsseitig eine seriell angeordnete Speicherdrossel vorgeschaltet ist und der zweiten H-Schaltbrücke ausgangsseitig ein parallel angeordneter zweiter Kondensator nachgeschaltet ist;
• die Steuereinrichtung derart aufgebaut ist, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare in den beiden H-Schaltbrücken mit Hilfe der Steuereinrichtung abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator während eines ersten Zeitintervalles in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke sich eine pulsmodulierte Gleichspannung ergibt, wobei e) während eines Umschaltzeitintervalls t_K die Halbleiterschaltelementpaare der beiden H-Schaltbrücken derart geschaltet werden, dass ein Kurzschluss erzeugt wird, und wobei der Gegentaktflusswandler einen Betriebsmodus aufweist in welchem der Gegentaktflusswandler als Booster, auch als Hochsetzsteller bekannt, betreibbar ist.

Booster bzw. Hochsetzsteller sind an sich bekannt, allerdings schafft die Erfindung dahingehend ein Novum, dass der Gegentaktwandler mit den vorgenannten Schaltelementen derart betrieben wird, dass ein Boost-Betrieb möglich ist.
Vorteilhaft handelt es sich bei den Halbleiterschaltelementen der beiden H-Schaltbrücken um Feldeffekttransistoren, vorzugsweise um MOS-Feldeffekttransistoren.
Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Energiespeicher, welcher insbesondere zur Verwendung in einer Fotovoltaikanlage verwendet wird, den erfindungsgemäßen Gegentaktwandler und einen Anschluss an ein Stromnetz. Einer oder mehrere der vorgenannten Gegentaktflusswandler ermöglichen einen Anschluss eines Energiespeichers mit zumindest zwei Batteriezellen unterschiedlieher chemischer Zusammensetzung an ein Stromnetz. Dem Anschluss nachgelagert, also zwischen dem Anschluss und dem Stromnetz, kann noch ein Wechselrichter sein.
Dadurch können eine Li-Mn und Li-Eisenphosphatzelle oder auch andere Zellentypen gekoppelt werden.
Vorteilhaft kann die eine Batteriezelle oder eine Schaltung aus mehreren Batteriezellen einer ersten chemischen Zusammensetzung und die eine Batteriezelle oder eine Schaltung aus mehreren Batteriezellen der zur ersten chemischen Zusammensetzung verschiedenen zweiten chemischen Zusammensetzung unter Zwischenschaltung jeweils eines erfindungsgemäßen Gegentaktwandlers mit dem Anschluss verbunden sein.
Die vorgenannte Anordnung kann in Baueinheit mit einer Fotovoltaikanlage verwandt werden. Besonders vorteilhaft wäre zudem der Einsatz in einem Spitzenlastkraftwerk zum Erzeugen von Regelleistung.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail und unter Zuhilfenahme der beiliegenden Figuren näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So sind in Abwandlung des Ausführungsbeispiels vielfältige Ausführungsvarianten realisierbar. Einzelne Merkmale des Ausführungsbeispiels können für sich genommen vorteilhaft sein und auch in anderen Ausführungsvarianten genutzt werden.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Schaltung eines Ausführungsbeispiels eines bidirektionalen Gegentaktflusswandlers,
2a Drosselstrom, der beim Überlappen bzw. im Umschaltintervall ansteigt;
2b Stromverlauf auf der Hochvoltseite des Transformators;
2c Spannungsverlauf am Ausgangsanschluss der Hochvoltseite.
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Fotovoltaikanlage mit einem die erfindungsgemäßen bidirektionalen Gegentaktflusswandler verwendenden Batteriespeicher;
4 Gegenüberstellung der Ruhespannungshysteresekurven zweier Batteriezellen; und
5a - 5d Ansteuerungssignale an den jeweiligen Halbleiterschaltelementen S1-S4.

In 1 ist mit 1 ein bidirektionaler Gegentaktflusswandler (DC/DC-Wandler) mit einer Eingangsstufe 2 zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung U_Eingang eine erste Wechselspannung U_W1, einem eine Primärwicklung 3 und eine Sekundärwicklung 4 aufweisenden Transformator 5 zur Übertragung der ersten Wechselspannung U_W1 in eine zweite Wechselspannung U_W2 und einer Ausgangsstufe 6 zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung U_W2 in eine zweite Gleichspannung UAusgang.
Die Eingangsstufe 2 weist zumindest einen Eingangsanschluss 7 auf, die über ein erstes Impedanz-Elektronikbauteil 9 mit einer ersten H- Schaltbrücke 12 verbunden sind. Das Impedanz-Elektronikbauteil kann Teil einer Speicherdrossel 10 sein.
Die erste H-Schaltbrücke 12 wird durch vier Halbleiterschaltelemente S1-S4 gebildet, die durch eine Steuereinrichtung 13 ansteuerbar sind. Als Halbleiterschaltelemente S1-S4 werden dabei vorzugsweise MOS-Feldeffekttransistoren verwendet.
In dem Mittelsteg 14 der ersten H-Schaltbrücke 12 ist die Primärwicklung 3 des Transformators 5 angeordnet.
Die Ausgangsstufe 6 umfasst eine zweite H-Schaltbrücke 15 mit vier durch die Steuereinrichtung ansteuerbare Halbleiterschaltelemente S5- S8 (vorzugsweise ebenfalls MOS-Feldeffekttransistoren), wobei die Sekundärwicklung 4 des Transformators 5 in dem Mittelsteg 16 der zweiten H- Schaltbrücke 15 angeordnet ist.
Ausgangsseitig ist auf dem Mittelsteg 16 der zweiten H-Schaltbrücke 15 eine Impedanz Z dargestellt. Diese Impedanz ist bereits im Transformator 5 enthalten und stellt die Streuinduktivität des Transformators dar. Der in 1 dargestellte Transformator 5 ist als ein sogenannter hart gekoppelter Transformator zu verstehen.
Der H-Schaltbrücke 15 ist eine Ausleitung 19 nachgeordnet, wobei auf der Zuleitung der Ableitung 19 eine Abzweigung mit einem Kondensator 18 angeordnet ist.
Die Steuereinrichtung 13 umfasst zumindest ein Rechenwerk, sowie einen Datenspeicher und ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers 1 jeweils zwei (diagonal gegenüberliegende) Halbleiterschaltelementpaare S1, S4 und S2, S3 der ersten H-Schaltbrücke 12 sowie S5, S8 und S6, S7 der zweiten H-Schaltbrücke 15 mit Hilfe der Steuereinrichtung 13 abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator 5 während eines ersten Zeitintervalles in einer ersten Richtung und während eines zweiten Zeitintervalles in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke 15 sich eine Gleichspannung ergibt.
Die Spannungen an S1 und S4 sind somit gespiegelt ebenso wie die Spannungen an S3 und S4.
Eventuell auftretende Überspannungen können durch die Bodydioden in Kombination mit dem Ausgangkondensator abgefangen werden.
Steuerungstechnisch wird bei der H-Schaltbrücke auf der Batteriezellenseite, also der (Hochstromseite), zunächst eine Diagonale der H-Schaltbrücke eingeschaltet und Leistung übertragen. Dann wird die zweite Diagonale eingeschaltet. Es sind in diesen kurzen Zeitintervall, dem Umschaltzeitintervall, alle vier Schalter eingeschaltet. Der Transformator ist somit kurzzeitig kurzgeschlossen.
Erst jetzt wird die erste Diagonale abgeschaltet. Sodann wird über die zweite Diagonale Leistung übertragen. Es ergibt sich eine Überlappung der Einschaltzeiten. Um den Kurzschluss nicht auf die Batterie zu übertragen, muss in der Zuleitung das Impedanz-Elektronikbauteil 9 vorhanden sein, welches als Drossel fungiert. Da es sich um hohe Ströme handelt, die dem Transformator und der H-Brücke zugeführt werden, muss eine Unterbrechung des Stromflusses verhindert werden, da sonst hohe Spannungen beim Abschalten des Stromes entstehen würden.
Während des Kurzschlusses nimmt die Drossel Energie auf, die nach der Überlappung (Kurzschluss) an die Zweite Seite des Transformators weitergegeben wird. Die Überlappung wird im Normalfall kurz gewählt, um die Größe der Drossel klein zu halten.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Steuerung der übertragenen Leistung mit der Variation der Überlappungszeit, also des Umschaltzeitintervalls, möglich. Die H-Brücke auf der Hochvoltseite weist eine Lücke in der Einschaltzeit auf, da sonst der Ausgangsseitige Kondensator ebenfalls kurzgeschlossen würde. Der Kurzschluss wird auf die Hochvoltseite transformiert, der Trafo ist dabei kurzgeschlossen. Das Prinzip durch die kurzgeschlossene H-Brücke entspricht dem eines Boosters oder Hochsetzstellers.
In 1 ist ein Rechtecksignal dargestellt, welches an der Sekundarseite des Transformators abgenommen wurde. Man erkennt einen vom üblichen Rechtecksignal abweichenden periodisch auftretenden Stromausschlag. Der Stromausschlag bildet sich im Umschaltzeitintervall aus, also wenn bei Überlappung der Zeitintervalle T1 und T2 während welcher die Halbleiterschaltelementpaare S1, S4 und S5, S8 sowie S2, S3 und S6, S7 angeschaltet sind. Dabei sind während einer kurzen Zeitdifferenz von ca. 100 ns alle vier Halbleiterschaltelemente S1-S4 und S5- S8 der ersten und der zweiten H-Schaltbrücke 12 und 15 eingeschaltet, so dass kurzzeitig die Primärwicklung 3 sowie die Sekundärwicklung 4 des Transformators 5 kurzgeschlossen werden und die Ausgangsspannung ausgangsseitig nahezu Null Volt anliegen.
In 2a ist der Drosselstrom dargestellt, der beim Überlappen der Zeitintervalle T1 und T2, also während der Umschaltzeit, ansteigt. Anhand dieses Drosselstroms kann der Boost-Modus dargestellt werden.
Im Unterschied zur DE 10 2014 014 639 A1 erfolgt die Steuerung des Impedanz-Elektronikbauteils 9 durch die Steuereinrichtung 13 derart, die aufgenommene Leistung durch Einstellung des Umfangs des Umschaltzeitintervalls, also die Überlappungszeit der Zeitintervalle, gesteuert bzw. eingestellt wird.
Erfolgt die Überlappung auf der Niedervoltseite, so variiert entsprechend die Lücke der Hochvoltseite ebenfalls.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich die Hochvoltseite im Kurzschluss zu betreiben, dann würde jedoch auch dort eine Drossel eingebaut werden müssen. Daher ist diese Variante weniger bevorzugt.
Der vorstehend beschriebene bidirektionale DC/DC-Wandler 1 hat sich besonders in Systemen zur Speicherung von regenerativer Energie mittels einem aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batteriespeicher bewährt. Dabei wird vorzugsweise jeder Batteriezelle ein eigener bidirektionaler DC/DC-Wandler zugeordnet, so dass auch unterschiedliche Batteriezellen oder Batteriezellen mit unterschiedlichem Ladezustand verwendbar sind.
In 3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Einsatz in einer Fotovoltaikanlage dargestellt.
Dabei liefert eine Energiequelle (Solarzelle) Strom, der über einen Wechselrichter einem öffentlichen Stromnetz oder einem Gebäudenetz zugeführt wird.
Überschüssige elektrische Energie wird hingegen in einem Energiespeicher 20 zwischengespeichert und kann später bedarfsgerecht abgerufen werden.
Jeder Batteriezelle 21, 22 des Energiespeichers 20 ist ein eigener erfindungsgemäßer bidirektionaler DC/DC-Wandler 1 zugeordnet, wobei alle DC/DC-Wandler 1 energiequellenseitig parallel geschaltet sind.
Beträgt also die von der Energiequelle 20 erzeugte Spannung beispielsweise 60 V, so wird diese Spannung bei dem Ladevorgang des Energiespeichers 20 auf die maximale Ladespannung der jeweiligen Batteriezelle 21, 22 (z. B. 3, 5 V) mittels des ihm zugeordneten DC/DC-Wandlers 1 heruntertransformiert. Bei dem Entladevorgang des Energiespeichers 20 hingegen transformiert der jeweilige DC/DC-Wandler 1 dann die an der entsprechenden Batteriezelle 21, 22 anliegende Spannung auf einen Spannungswert von 60 V, die dann von dem Wechselrichter in eine entsprechende Wechselspannung transformiert wird.
Die Batteriezellen 21 und 22 unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung bzw. sind Batteriezellen verschiedener Zelltechnologien.
Exemplarisch sind zwei Ruhespannungshysteresekurven abgebildet.
Die obere Darstellung der 4 stellt eine Ruhespannungshysterese gemessen an einer Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Zelle mit Graphit-Anode(NMC(Schicht)/C) dar. Sie liegt im Bereich U(100%) bis U(10%) bei ca. 600 mV. Die beiden Kurven stellen das Lade- und das Entladeverhalten dar.
Die untere Darstellung zeigt eine an einer Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle mit Graphit-Anode (LFP/C) gemessene Ruhespannungshysterese mit U(90%) bis U(10%) bei ca. 150 mV in Abhängigkeit zu von der sogenannten SOC-Bestimmung (state of charge-Bestimmung) dar.
Man erkennt dass beide Zellen grundsätzlich ein völlig anderes Lade- und Entladeverhalten, also völlig andere Kennlinien für dieses Lade- und Entladeverhalten, aufweisen. Diese Differenzen können durch die im Kurzschluss gesammelte Leistung ausgeglichen bzw. aussymmetriert werden, so dass beide Zellen miteinander koppelbar sind.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise nicht zwingend erforderlich, dass die Steuereinrichtung 13 einen Mikrokontroller enthält. Insbesondere bei einem Betrieb mit festem Übersetzungsverhältnis (konstantem Tastgrad) kann es ausreichen, lediglich einen Taktgenerator zur Ansteuerung der Halbleiterschaltelemente zu verwenden.
5a. - 5d zeigt den Spannungssignalverlauf der Ansteuersignale an der Speicherdrossel, welche durch die Steuereinrichtung 13 eingestellt wird. Die Signale entsprechen der an der Speicherdrossel 10 anliegenden Zellspannung. Die Spannungssignale werden jeweils zwischen aus/ein geschalten.
Dabei zeigen die Signale V(S1) und V(S2) der 5a und 5b ein Überlappungszeitintervall t_K der Signale, und die Signale V(S3) und V(S4) der 5c und 5d weisen eine Lücke t_K' (beide Signale zeitgleich auf Null) auf. Die Lücke ist dabei vorzugsweise größer als das Überlappungszeitintervall.
Bezugszeichenliste

1: (bidirektionaler) DC/DC-Wandler, (bidirektionaler) Gegentaktflusswandler
2: Eingangsstufe
3: Primärwicklung
4: Sekundärwicklung
5: Transformator
6: Ausgangsstufe
7: Eingangsanschluss
9: LC-Glied
10: Speicherdrossel
12: erste H-Schaltbrücke
13: Steuereinrichtung
14: Mittelsteg (erste H-Schaltbrücke)
15: zweite H-Schaltbrücke
16: Mittelsteg (zweite H-Schaltbrücke)
18: Kondensator
19: Ausgangsanschluss
20: Energiequelle
21: erste Batteriezelle
22: zweite Batteriezelle
23: Anschluss
24: Stromnetz
S1-S4: Halbleiterschaltelemente
S5-S8: Halbleiterschaltelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012111063 A1 [0002]
DE 102014014639 A1 [0005, 0006, 0009, 0051]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines bidirektionalen Gegentaktflusswandlers, insbesondere eines Gegentaktflusswandlers eines Energiespeichers, mit einer Eingangsstufe (2) zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung (U_Eingang) in eine erste Wechselspannung (U_W1), einem mindestens eine Primärwicklung (3) und mindestens eine Sekundärwicklung (4) aufweisenden Transformator (5) zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung (U_W2) und einer Ausgangsstufe (6) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung (U_W2) in eine zweite Gleichspannung (U_Ausgang) mit den Merkmalen: • die Eingangsstufe (2) umfasst eine erste H-Schaltbrücke (12) mit zumindest vier durch eine Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S1-54), wobei die Primärwicklung (3) des Transformators (5) in einem Mittelsteg (14) der ersten H-Schaltbrücke (12) angeordnet ist; b) die Ausgangsstufe (6) umfasst eine zweite H-Schaltbrücke (15) mit vier durch die Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S5-S8), wobei die Sekundärwicklung (4) des Transformators (5) in einem Mittelsteg (16) der zweiten H-Schaltbrücke (15) angeordnet ist; c) der ersten H-Schaltbrücke (12) ist eingangsseitig eine seriell angeordnete Speicherdrossel (10) vorgeschaltet und der zweiten H-Schaltbrücke (15) ist ausgangsseitig ein parallel angeordneten zweiten Kondensator (18) nachgeschaltet; d) die Steuereinrichtung (13) ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) mit Hilfe der Steuereinrichtung (13) abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator (5) während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke (15) sich eine pulsmodulierte Gleichspannung (U_Ausgang) ergibt, wobei e) währen eines Umschaltzeitintervalls t_K die Halbleiterschaltelementpaare der beiden H-Schaltbrücken (12, 15) derart geschaltet werden, dass ein Kurzschluss erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Umschaltzeitintervalls erzeugte Leistung durch die Steuereinrichtung durch Einstellung des Umschaltzeitintervalls gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltzeitintervall bis zu einem Grenzwert einstellbar ist, wobei der Grenzwert weniger als 30% einer Periode, vorzugsweise weniger als 12% einer Periode, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste H-Schaltbrücke auf einer Niedervoltseite des bidirektionalen Gegentaktflusswandlers angeordnet ist und dass die zweite H-Schaltbrücke (15) auf der Hochvoltseite angeordnet ist, wobei die Halbleiterschaltelemente der Niedervoltseite gemäß Schritt e) derart geschaltet werden, dass ein Kurzschluss erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltzeitintervall derart durch die Steuereinrichtung eingestellt wird, dass die im Umschaltintervall erzeugte Leistung hinreichend ist, dass ein Angleichen der Kennlinie einer an den Gegentaktflusswandler angeschlossenen Batteriezelle gegenüber einer oder mehreren weiteren Batteriezellen des Energiespeichers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Umschaltzeitintervall alle Halbleiterschaltelemente der H-Schaltbrücke eingeschaltet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem positiven und/oder negativen Anteil eines Rechtecksignals ein Signal hinsichtlich der erzeugten Leistung überlagert ist, welche durch die Steuereinheit gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Umschaltzeit anhand eines Kennlinien-Vergleichswertes erfolgt, wobei i) eine Kennlinie einer ersten an den Energiespeicher angeschlossenen Batteriezelle ermittelt wird, ii) die Kennlinie mit einem Vergleichswert, insbesondere einer Kennlinie einer oder mehrerer an den Energiespeicher angeschlossenen zweiten Batteriezellen, verglichen wird und iii) ein Kennlinien-Vergleichswert auf Grundlage von Schritt ii) ermittelt wird.
Bidirektionaler Gegentaktflusswandler mit einer Eingangsstufe (2) zur Umwandlung einer ersten Gleichspannung (U_Eingang) in eine erste Wechselspannung (U_W1), einem mindestens eine Primärwicklung (3) und mindestens eine Sekundärwicklung (4) aufweisenden Transformator (5) zur Übertragung der ersten Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung (U_W2) und einer Ausgangsstufe (6) zur Umwandlung der zweiten Wechselspannung (U_W2) in eine zweite Gleichspannung (U_Ausgang) mit den Merkmalen: • die Eingangsstufe (2) umfasst eine erste H-Schaltbrücke (12) mit zumindest vier durch eine Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S1-S4), wobei die Primärwicklung (3) des Transformators (5) in einem Mittelsteg (14) der ersten H-Schaltbrücke (12) angeordnet ist; b) die Ausgangsstufe (6) umfasst eine zweite H-Schaltbrücke (15) mit vier durch die Steuereinrichtung (13) ansteuerbaren Halbleiterschaltelementen (S5-S8), wobei die Sekundärwicklung (4) des Transformators (5) in einem Mittelsteg (16) der zweiten H-Schaltbrücke (15) angeordnet ist; c) der ersten H-Schaltbrücke (12) ist eingangsseitig eine seriell angeordnete Speicherdrossel (10) vorgeschaltet und der zweiten H-Schaltbrücke (15) ist ausgangsseitig ein parallel angeordneten zweiten Kondensator (18) nachgeschaltet; d) die Steuereinrichtung (13) ist derart aufgebaut, dass zum Betrieb des Gegentaktflusswandlers (1) jeweils zwei Halbleiterschaltelementpaare (S1, S4; S2, S3 und S5, S8; S6, S7) in den beiden H-Schaltbrücken (12, 15) mit Hilfe der Steuereinrichtung (13) abwechselnd an- und abgeschaltet werden, so dass der Transformator (5) während eines ersten Zeitintervalles (T1) in einer ersten Richtung und während eines der Dauer des ersten Zeitintervalles entsprechenden zweiten Zeitintervalles (T2 = T1) in der Gegenrichtung durchflutet wird und am Ausgang der zweiten H-Schaltbrücke (15) sich eine pulsmodulierte Gleichspannung (U_Ausgang) ergibt, wobei e) währen eines Umschaltzeitintervalls t_K die Halbleiterschaltelementpaare der beiden H-Schaltbrücken (12, 15) derart geschaltet werden, dass ein Kurzschluss erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegentaktflusswandler einen Betriebsmodus aufweist in welchem der Gegentaktflusswandler als Booster bzw. Hochsetzsteller betreibbar ist.
Anordnung umfassend einen Energiespeicher (20) und einen bidirektionalen Gegentaktwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Anschluss (23) an ein Stromnetz, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (20) zumindest zwei Batteriezellen (21, 22) unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung umfasst.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder eine Schaltung aus mehrere Batteriezellen (21) einer ersten chemischen Zusammensetzung und die eine oder eine Schaltung aus mehreren Batteriezellen (22) der zweiten chemischen Zusammensetzung unter Zwischenschaltung jeweils eines Gegentaktwandlers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen mit dem Anschluss (23) verbunden sind.