-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einem Ladungsausgleich zwischen Modulen eines Multilevelkonverters. Ferner wird eine Vorrichtung zu diesem Ladungsausgleich beansprucht.
-
Ein derzeitiges Batteriepack umfasst mehrere festverdrahtete Batterieteile, welche bspw. Energiezellen sein können. Am Ausgang liefern derartige Batterien fast ausschließlich eine Gleichspannung. Die meisten Verbraucher dagegen benötigen eine Wechselspannung mit bspw. einem harmonischen Spannungsverlauf bei bestimmter Frequenz, Amplitude und Phase. Auch ist die Gleichspannung über den Ladezustand nicht konstant. Um sowohl bei einer Spitzen- als auch einer Ladeendspannung die angeschlossenen Verbraucher betreiben und eine geforderte Leistung entnehmen zu können, müssen Verbraucher aufwändige Versorgungsschaltungen verwenden.
-
Wenn eine von einem Verbraucher benötigte Spannung weit von der Gleichspannung bzw. einer Batteriespannung abweicht, verursacht eine leistungselektronische Schaltung durch viele Schaltwechsel, welche sich in einem sog. niedrigen Modulationsindex widerspiegeln, hohe Verluste und hohe Verzerrungen in einer Ausgangsspannung. Dies betrifft insbesondere einen Antrieb eines Elektrofahrzeuges, der in der Regel bei niedrigen Geschwindigkeiten Wechselspannungen mit deutlich niedrigerer als einer maximalen Amplitude benötigt. Verzerrungen, i. d. R. durch Pulsweitenmodulation, belasten dort zudem eine Isolierung eines Motors und wirken sich damit auf eine Lebensdauer des Motors aus.
-
Aufgrund einer Streuung in einem physikalischen und chemischen Verhalten der Batterieteile, muss eine aufwändige Energiezellenüberwachung und insbesondere ein lokaler Ladungsaustausch bereitgestellt werden (sog. „battery management“), um einen gleichmäßigen Ladezustand aller Batterieeinzelteile zu ermöglichen. Wenn nur ein Teil einer Batterie defekt ist, bspw. eine Energiezelle, ist in der Regel das gesamte Batteriepack unbrauchbar. Im Falle einer Verbauung an einer Traktionsmaschine, muss mit dem vollständigen Ausfall eines Fahrzeuges gerechnet werden. Gegebenenfalls muss eine Stilllegung sogar aktiv erzwungen werden, damit ein defektes Batterieteil bei weiterer Belastung nicht überhitzt und Feuer fängt.
-
Zwei Strategien eines Ladungsausgleichs zwischen den Energiezellen werden bspw. beschrieben in Ashraf Bani Ahmad; Chia Ai Ooi; Dahaman Ishak; Jiashen Teh: State-of-Charge Balancing Control for ON/OFF-Line Internal Cells Using Hybrid Modular Multi-Level Converter and Parallel Modular Dual L-Bridge in a Grid-Scale Battery Energy Storage System. In: IEEE Access 2019 | Volume 7 | Journal Article veröffentlicht: 11. Dezember 2018. Eine Steuerung und Überwachung der Zellen wird dabei durch Integration jeder einzelnen Zelle in eine L-Brücke statt einer H-Brücke erreicht.
-
Die Druckschrift
US 8 817 503 B2 offenbart einen Leistungswandler mit einer Vielzahl von Zellen, dessen Steuerung einen zentralen Controller und einen an jeder Zelle angeordneten Zellen-Controller aufweist. Der zentrale Controller und jeder Zellen-Controller werden über ein Glasfaserkabel verkettet.
-
Durch eine dynamische Rekonfiguration einer Batterieverschaltung kann direkt die Wechselspannung und eine Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher erzeugt werden. Im Gegensatz zu bisherigen Umrichtern kann der Modulationsindex bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Ferner sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch eine Parallelschaltung der Batterieteile der effektive Innenwiderstand sinkt. Davon abgesehen erzeugt eine geschaltete Batterie eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung, da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.
-
Diese Möglichkeit zur Implementierung einer flexiblen Wechselstrombatterie ist über Schaltungen aus der Klasse der modularen Multilevelkonverter, wie bspw. Neutral-Point-Clamped-Inverter oder modularer Multilevelkonverter mit serieller oder paralleler Konnektivität, gegeben. Deren Ausgangsspannungen erlauben so feine Abstufungen, dass Verzerrungen sogar unter den Messbereich üblicher Messgeräte liegen können. Ein zentraler Multilevelkonverter in diesem Sinn ist der modulare Multilevelkonverter MMSPC, beschrieben durch S. M. Goetz, A. V. Peterchev and T. Weyh, „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215, Jan. 2015. Bei diesen Schaltungen macht eine Schaltfrequenz je Halbleiter nur ein Bruchteil der effektiven Schaltfrequenz aus, wodurch geringere Energieverluste entstehen. Eine Modularisierung des Umrichters in eine hohe Zahl von gleichartigen Niederspannungsbaugruppen - den Modulen - ermöglicht selbst bei geringen Umrichterstückzahlen sehr hohe Modulstückzahlen und die Nutzung der Preisvorteile von Niederspannungsbauelementen, die für Unterhaltungselektroniken in großer Stückzahl produziert werden. Multilevelkonverter haben daher in ihrer äußerst kurzen Geschichte bereits eine Dominanz in zahlreichen Anwendungsgebieten gewonnen und könnten konventionelle Umrichtertechnologien - außer bei Niederpreisanwendungen mit geringen Qualitätsanforderungen - vollständig verdrängen.
-
Ein von dem Modul umfasster Energiespeicher, bspw. ein Kondensator oder eine Batteriezelle, ist dabei über ebenfalls von dem Modul umfasste Transistoren niederohmig an andere Module angebunden. Unter anderem ein Parallelzustand ist dabei für einen beispielhaft in Z. Li, R. Lizana, A. V. Peterchev und S. M. Goetz, „Distributed balancing control for modular multilevel series/parallel converter with capability of sensorless operation," 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Cincinnati, OH, 2017, pp. 1787-1793. doi:10.1109/ECCE.2017.8096011 beschriebenen Multilevelkonverter gefährlich, da bei ungleich geladenen Modulen in Parallelschaltung extrem hohe Stromspitzen entstünden. Wenn Module ungleich geladen sind, muss daher der Parallelzustand oft deaktiviert werden, wodurch eine Leistung des Multilevelkonverters beeinträchtigt ist und sich Systemkosten erhöhen.
-
Ursache für einen unterschiedlichen Ladezustand der Energiespeicher kann bspw. sein, dass der Multilevelkonverter nach Standzeit eingeschaltet bzw. in Betrieb genommen wird. Die Speicher sind entsprechend nicht in einem kontrollierten, gleichen Ladezustand. Denkbar wäre auch eine fehlerhafte oder aus dem Ruder gelaufene Steuerung, fehlerhafte Sensoren, etc. Schließlich können einzelne Modulenergiespeicher defekt sein, bedingt bspw. durch deutlich geringere Kapazität aufgrund chemischer Zersetzung in Batterien, entwichenem Elektrolyt in Elektrolytkondensatoren, verlorene Folienfläche aufgrund von Spannungsspitzen und Partialentladungen in Filmkondensatoren, etc.
-
In der Druckschrift
US 2013/0002203 A1 wird ein Ladungsausgleichssystem für mehrere in Reihe geschaltete Batteriemodule offenbart. Der Ladungsausgleich wird durch Spannungsunterschiede der Batteriemodule bei Überschreiten einer Schwelle initiiert.
-
Die US-amerikanische Druckschrift
US 2018/0043789 A1 offenbart Module eines Multilevelkonverters, welche jeweils mehrere Energiespeicherzellen aufweisen. Zwischen den jeweiligen Energiespeicherzellen innerhalb eines einzelnen Moduls kann ein Ladungsausgleich ausgeführt werden.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu einem Ladungsausgleich zwischen Modulen eines Multilevelkonverters bereitzustellen, welches vermeidet, dass der Multilevelkonverter aus einer Balance fällt bzw. sicherstellt, dass alle vom Multilevelkonverter umfassten Energiespeicher ähnlich geladen sind. Dabei sollte möglichst der Ladungsausgleich einen laufenden Betrieb nicht beeinträchtigen. Auch sollen Kosten und Platzbedarf geringgehalten werden. Ferner soll eine Vorrichtung zu diesem Ladungsausgleich vorgestellt werden.
-
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einem Ladungsausgleich zwischen Modulen eines Multilevelkonverters vorgeschlagen, bei dem der Multilevelkonverter einen Zentralkontroller zu einer Berechnung aller Schaltzustände und mindestens zwei Module umfasst. Ein jeweiliges Modul weist einen Energiespeicher, mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter und einen Modulkontroller zur Steuerung der lokalen Schaltzustände auf. Die jeweiligen Module sind über mindestens einen jeweiligen Leistungspfad für einen Leistungsstromfluss miteinander verbunden. Zwischen jeweilig zwei benachbarten Modulen wird ein jeweiliger Ladungsausgleichspfad für einen Ladungsausgleichsstromfluss angeordnet. Dem jeweiligen Modul werden mindestens zwei Kleinleistungstransistoren zugewiesen, welche mit einem jeweiligen Drain-/Kollektor-Anschluss mit einem positiven Pol des jeweiligen Energiespeichers verbunden werden und mit einem jeweiligen Source-/Emitter-Anschluss mit dem jeweiligen Ladungsausgleichspfad zu dem jeweilige benachbarten Modul verbunden werden. In dem jeweiligen Ladungsausgleichspfad wird ein einen maximalen Ladungsausgleichsstromfluss auf mindestens ein Hundertstel eines Nennwertes des Leistungsstromflusses begrenzender Gesamtwiderstand angeordnet. Die Begrenzung wird für eine maximal mögliche Spannungsdifferenz zweier für den Ladungsausgleich vorgesehener Energiespeicher festgelegt. Diese Spannungsdifferenz kann sich bspw. durch die Differenz aus einer maximalen Modulspannung und einer minimalen Modulspannung im Falle von Batterien als Energiespeicher, oder durch die maximale Modulspannung im Falle von Kondensatoren als Energiespeicher ergeben. Durch den Modulkontroller wird anhand eines aktuellen Zustandes einer Intermodulverbindung ein jeweils zu einer Freischaltung des Ladungsausgleichs benötigter Schaltzustand der jeweiligen Kleinleistungstransistoren und der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter gesetzt. Schließlich wird durch den Ladungsausgleichsstromfluss über den jeweiligen Ladungsausgleichspfad zwischen den jeweiligen Kleinleistungstransistoren zweier benachbarter Module und dem jeweiligen zu einem negativen Pol des jeweiligen Energiespeichers der zwei benachbarten Module durchgeschalteten Leistungspfad ein Ladungsausgleich ausgeführt.
-
Der jeweilige mit dem jeweiligen Ladungsausgleichspfad verbundene Kleinleistungstransistor kann bspw. als ein Feldeffekttransistor oder als ein Bipolartransistor gewählt werden. Denkbar ist auch, einen Kleinleistungs-IGBT einzusetzen, wobei IGBT abgekürzt für englisch „Insulated Gate Bipolar Transistor“ steht. Da der Kleinleistungstransistor höchstens ein Hundertstel einer Leistung des Leistungspfades trägt, muss der Ladungsausgleichspfad auch nicht über Stromschienen verlaufen, sondern kann vorteilhaft in einer Leitung erfolgen, welche bspw. als ein isoliertes Kabel oder als ein in einer Isolierfolie einlaminierter Folienleiter gestaltet wird.
-
Es ist denkbar jeweils vier Kleinleistungstransistoren pro Modul zu jeweils zwei Halbbrücken zwischen dem positiven Pol, entsprechen einer High-Side, und dem negativen Pol, entsprechend einer Low-Side, des jeweiligen Energiespeichers anzuordnen, und ein Ende des jeweiligen Ladungsausgleichspfad zwischen einem jeweiligen High-Side-Kleinleistungstransistor und einem jeweiligen Low-Side-Kleinleistungstransistor anzuschließen. Dadurch ist es möglich, ein jeweiliges Ende eines jeweiligen Ladungsausgleichspfades sowohl mit dem positiven wie auch mit dem negativen Pol des jeweiligen Energiespeichers zu verbinden.
-
Über den Ladungsausgleichspfad kann ein höher aufgeladener Energiespeicher eines ersten Moduls in einen weniger geladenen Energiespeicher eines zweiten Moduls entladen werden. Das erste Modul und das zweite Modul können dabei unmittelbar benachbart sein. Es ist aber auch denkbar, dass der Ladungsausgleich zwischen nicht unmittelbar benachbarten Modulen stattfindet, indem das mindestens eine dabei übersprungene jeweilige Modul so geschaltet wird, dass dessen jeweiliger Energiespeicher nicht mit dem Ladungsausgleich beaufschlagt wird. Ein Hinpfad eines Ladungsausgleichsstroms, also ein Strom positiver Ladungsträger von einem höheren Spannungspotential fließend zu einem niedrigeren Spannungspotential, oder ein Rückpfad eines Ladungsausgleichsstroms, also ein Strom negativer Ladungsträger von einem niedrigeren Spannungspotential fließend zu einem höheren Spannungspotential, wird dabei von dem jeweiligen Ladungsausgleichspfad gestellt, der andere von dem jeweiligen Leistungspfad.
-
Der Ladungsausgleich kann in einem beliebigen Modulzustand, d. h. Gesamtheit an Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter pro Modul, eines jeweiligen am Ladungsausgleich beteiligten Moduls erfolgen. Ein jeweilig zugehöriger Zustand des Ladungsausgleichspfades, d. h. Gesamtheit an Schaltzuständen der mit dem Ladungsausgleichspfad verbundenen Kleinleistungstransistoren, ändert sich jedoch.
-
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aufgrund einer Anweisung des Zentralkontrollers ein Ladungsausgleich durchgeführt. Dabei wird der jeweilige Ladungsausgleichspfad, bzw. die mit diesem jeweiligen Ladungsausgleichspfad verbundenen Kleinleistungstransistoren, sowie der jeweilige Modulzustand von dem Zentralkontroller gesteuert. Entsprechend werden die möglichen Schaltzustände der jeweiligen mit dem jeweiligen Ladungsausgleichspfad verbundenen Kleinleistungstransistoren voll in jeder Kommunikation des Zentralkontrollers mitkodiert. Die möglichen Schaltzustände sperren dabei den Ladungsausgleichpfad oder verbinden diesen entweder mit dem positiven Pol oder dem negativen Pol des Energiespeichers.
-
Es ist auch denkbar, dass von dem Zentralkontroller zu einer Steuerung einer Modulverbindung lediglich ein Bit oder ein Flag gesendet wird, welches angibt, ob der Ladungsausgleich stattfinden soll oder nicht. Der Modulkontroller berechnet dann selber den jeweilig nötigen Schaltzustand der zum Ladungsausgleichspfad gehörigen Kleinleistungstransistoren bzw. der Leistungshalbleiterschalter für den Hin- oder Rückpfad des Ladungsausgleichsstromes. Aus diesem Grund kann das Bit oder der Flag vom Zentralkontroller an das jeweilige Modul über einen Kommunikationskanal gesendet werden, welcher deutlich langsamer und damit kostengünstiger ist, als eine Übermittlung aller Schaltzustände der Leistungspfade. Mit den sich ändernden Leistungszuständen ändert das jeweilige Modul entsprechend über seinen Modulkontroller auch stets den Schaltzustand der mit den jeweiligen Ladungsausgleichspfaden verbunden Kleinleistungstransistoren.
-
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in jedem Modul an dessen Energiespeicher ein Spannungsmessgerät angeordnet, mit dem eine Spannungsdifferenz zu dem Energiespeicher des Nachbarmoduls gemessen wird. Bei Überschreiten einer vorbestimmten Spannungsdifferenzschwelle wird ein Ladungsausgleich durchgeführt. Es ist dabei denkbar, dass der Zentralkontroller nicht in einen Betrieb eines jeweiligen Ladungsausgleichspfades eingreift, sondern der lokale Modulkontroller anhand der Spannungsdifferenz allein entscheidet, wann und ob ein Ladungsausgleich stattfindet. Dies kann bspw. stets geschehen, sobald die vorbestimmte Spannungsdifferenzschwelle von bspw. 5 % oder 10 % einer Modulnennspannung überschritten wird. Denkbar ist aber auch, dass das pro Modul angeordnete jeweilige Spannungsmessgerät die Spannungsdifferenz zwischen dem positiven und dem negativen Pol des jeweiligen Energiespeichers feststellt und die Spannungsdifferenz zu dem jeweilig benachbarten Modul durch ein Vergleich beider Messwerte gebildet wird.
-
Ein wesentlicher Bestandteil der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist damit der Modulkontroller, der anhand des aktuellen Zustandes der jeweiligen Intermodulverbindung und entweder einer Messung der Modulspannungsdifferenz, bspw. aus der Differenz zweier Spannungsmessungen der betroffenen Nachbarn oder einem Befehlsbit des Zentralkontrollers die benötigten Schaltzustände berechnet und setzt. Diese Berechnung ist auch rein über binäre Logikfunktionen (AND, OR, NOT) möglich.
-
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in einem jeweiligen Ladungsausgleichspfad angeordnete Gesamtwiderstand in pro jeweiligen Modul angeordnete Einzelwiderstände aufgeteilt. Dadurch kann ein nach außen an einem Modul sichtbarer Anschluss des Ladungsausgleichspfades als nur über den in das Modul integrierten Widerstand belastet werden, womit vorteilhaft selbst ein Kurzschluss so nicht zu hoher oder zerstörerischer Leistung führt. Es ist denkbar die jeweiligen Einzelwiderstände dergestalt aufzuteilen, dass sie jeweils zwischen einem Anschluss eines Kleinleistungstransistors an die High-Side oder die Low-Side des jeweiligen Moduls angeordnet sind. Eine solche Verschaltung in Serie mit den jeweiligen Kleinleistungstransistoren ist besonders vorteilhaft, da der jeweilige Modulkontroller keinerlei Totzeitsteuerung betreiben muss und somit nicht darauf achtgeben muss, ob Anzeiten der Kleinleistungstransistoren einer Halbbrücke zeitlich weit genug voneinander getrennt sind oder sogar überlappen. Weiter ist vorteilhaft, dass die Ladungsausgleichskanäle für die Entladung des Energiespeichers des entsprechenden Moduls verwendet werden können, bspw. um Module, die deutlich mehr Ladung aufweisen als andere, schneller zu entladen oder die Spannung im Schadensfall oder bei einem Unfall schnell zu entladen, bevor Personen aufgrund der Spannung zu Schaden kommen können.
-
Ferner ist aber auch denkbar, dass an einem jeweiligen Ende eines Ladungsausgleichspfades nur jeweils ein Kleinleistungstransistor über einen jeweiligen Einzelwiderstand mit der High-Side des jeweiligen Moduls verbunden ist. Hierzu kann in einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine jeweilige Diode mit ihrer Kathode an den Anschluss des jeweiligen Ladungsausgleichspfades an den jeweiligen Kleinleistungstransistor und mit ihrer Anode an den negativen Pol des jeweiligen Energiespeichers angeordnet werden. Im Falle eines hohen L/R-Verhältnisses, mit einer parasitären Induktivität L und einem effektiven Widerstand R, der aus den Einzelwiderständen, Leitungswiderständen und Transistorkanalwiderständen gebildet wird, kann so die Induktivität über die erfindungsgemäß angeordnete Diode entladen werden. Enthalten die Kleinleistungstransistoren antiparallele Freilaufdioden, so können diese demselben Zweck dienen.
-
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Multilevelkonverter ein modularer Multilevelkonverter gewählt, welcher zwischen den jeweiligen Modulen einen Leistungspfad aufweist. Solch ein modularer Multilevelkonverter, auch als MMC abgekürzt bezeichnet, ist bspw. beschrieben in A. Lesnicar, R. Marquardt, „An innovative modular multilevel Converter topology suitable for a wide power range," in 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference Proc., vol. 3, pp 6ff. Stattdessen kann auch in der fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als Multilevelkonverter ein modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität gewählt werden, welcher zwischen den jeweiligen Modulen zweiadrige Leistungspfade aufweist. Solch ein modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität, auch als MMSPC abgekürzt bezeichnet, ist bspw. beschrieben in S. M. Goetz, A. V. Peterchev and T. Weyh, „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215, Jan. 2015.
doi: 1 0.11 09/TPEL.2014.231 0225.
-
Ferner wird eine Vorrichtung zu einem Ladungsausgleich zwischen Modulen eines Multilevelkonverters beansprucht, bei dem der Multilevelkonverter einen Zentralkontroller zu einer Berechnung aller Schaltzustände und mindestens zwei Module umfasst. Ein jeweiliges Modul weist jeweils einen Energiespeicher, mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter und einen Modulkontroller zur Steuerung der lokalen Schaltzustände auf. Die jeweiligen Module sind über mindestens einen jeweiligen Leistungspfad für einen Leistungsstromfluss miteinander verbunden, wobei zwischen jeweilig benachbarten Modulen ein jeweiliger Ladungsausgleichspfad für einen Ladungsausgleichsstromfluss angeordnet ist. Ein jeweiliges Modul weist mindestens zwei Kleinleistungstransistoren auf, welche jeweilig mit einem jeweiligen Drain-/Kollektor-Anschluss mit einem positiven Pol des jeweiligen Energiespeichers verbunden sind und mit einem jeweiligen Source-/Emitter-Anschluss mit dem jeweiligen Ladungsausgleichspfad zu dem jeweilig benachbarten Modul verbunden sind. Ein einen maximalen Ladungsausgleichsstromfluss auf mindestens ein Hundertstel eines Nennwertes des Leistungsstromflusses begrenzender Gesamtwiderstand ist in dem jeweiligen Ladungsausgleichspfad angeordnet. Weiter ist der Modulkontroller dazu konfiguriert, anhand eines aktuellen Zustandes der jeweiligen Intermodulverbindung ein jeweils zu einer Freischaltung des Ladungsausgleichs benötigten Schaltzustand der jeweiligen Kleinleistungstransistoren und der jeweiligen Leistungshalbleiterschalter zu setzen. Schließlich ist die Vorrichtung dazu konfiguriert, durch den Ladungsausgleichsstromfluss über den jeweiligen Ladungsausgleichspfad zwischen den jeweiligen Kleinleistungstransistoren zweier benachbarter Module und dem jeweiligen zu einem negativen Pol des jeweiligen Energiespeichers der zwei benachbarten Module durchgeschalteten Leistungspfad einen Ladungsausgleich auszuführen.
-
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der in einem jeweiligen Ladungsausgleichspfad angeordnete Gesamtwiderstand in pro Modul angeordnete Einzelwiderstände aufgeteilt.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine jeweilige Diode mit ihrer Kathode an den Anschluss des jeweiligen Ladungsausgleichspfades an den jeweiligen Kleinleistungstransistor und mit ihrer Anode an den negativen Pol des jeweiligen Energiespeichers angeordnet.
-
In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Multilevelkonverter ein modularer Multilevelkonverter, welcher zwischen den jeweiligen Modulen einen Leistungspfad aufweist, oder der Multilevelkonverter ist ein modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität ist, welcher zwischen den jeweiligen Modulen zweiadrige Leistungspfade aufweist.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind damit sämtliche Vorteile des Parallelzustandes wie niedrigere Verluste, weniger Last je Modulenergiespeicher, Ladungsaustausch über Module hinweg oder eine open-loop-Balancing des Konverters nutzbar.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
- 1 zeigt schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC.
- 2 zeigt schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung mit Intermodulspannungsmessung zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC.
- 3 zeigt schematisch eine Aufteilung eines Gesamtwiderstandes in einem Ladungsausgleichspfad zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC.
- 4 zeigt schematisch eine weitere Aufteilung des Gesamtwiderstandes in einem Ladungsausgleichspfad zu einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC.
- 5 zeigt schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung mit einer verringerten Anzahl an Kleinleistungstransistoren zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC.
- 6 zeigt schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung mit zusätzlichen Dioden zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC.
- 7 zeigt schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMC.
- 8 zeigt schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung mit einer verringerten Anzahl an Kleinleistungstransistoren zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMC.
- 9 zeigt schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung mit zusätzlichen Dioden zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMC.
-
In 1 wird schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung 100 zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC, also einen modularen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität, gezeigt. Ein jeweiliges Modul 110, 120 weist einen Energiespeicher 119, 129 und vier Halbbrücken 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124 auf, die jeweils durch einen mit einem negativen Pol des Energiespeichers 119, 129 verbundenen Low-Side-Leistungshalbleiterschalter und einen mit einem positiven Pol des Energiespeichers 119, 129 verbundenen High-Side-Leistungshalbleiterschalter gebildet sind. Zusätzlich weist das jeweilige Modul 110, 120 einen Modulkondensator 115, 125 auf, der von dem jeweiligen Energiespeicher 119, 129 (bis zu dessen Entladung) nach Leistungsabgabe wieder aufgeladen wird. Das erste Modul 110 weist nach außen für einen Leistungsstromfluss einen ersten (zweiadrigen) Modulanschluss 101 auf. Sein zweiter Modulanschluss bildet zusammen mit einem ersten Modulanschluss des zweiten Moduls 120 einen Leistungspfad 106, exemplarisch in der Ladungsausgleichsanordnung 100 zwischen den beiden Modulen 110, 120 dargestellt. Schließlich weist das zweite Modul 120 einen zweiten Modulanschluss 103 auf, über welchen das zweite Modul 120 bspw. einen weiteren Leistungspfad mit einem weiteren, benachbarten Modul bildet oder, bspw. als erstes Modul eines Modulstranges, an einen Sternpunkt angeschlossen ist. Ein jeweiliger lokaler Schaltzustand des jeweiligen Moduls 110, 120 wird über einen jeweiligen Modulkontroller 107 gesteuert, der mit einem den MMSPC in seiner Gesamtheit steuernden Zentralkontroller verbunden ist. Erfindungsgemäß werden zu einer Steuerung eines Ladungsausgleichs in jedem Modul 110, 120 Kleinleistungstransistoren angeordnet, welche, hier als Halbbrücken 116, 117, 126, 127 ausgebildet, mit der High-Side und der Low-Side des jeweiligen Moduls 110, 120 verbunden sind. Zwischen einer ersten Kleinleistungshalbbrücke 116 des ersten Moduls 110 und einer zweiten Kleinleistungshalbbrücke 127 des zweiten Moduls 120 befindet sich ein Ladungsausgleichspfad 108 mit einem Gesamtwiderstand 105. Das erste Modul 110 kann mit einem weiteren benachbarten Modul einen Ladungsausgleichspfad 102 bilden, und das zweite Modul 120 kann mit einem anderen benachbarten Modul einen Ladungsausgleichspfad 104 bilden. Der jeweilige lokale Modulkontroller 107 steuert nun sowohl den Leistungsstromfluss über die Halbbrücken 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124 der Leistungshalbleiterschalter, wie auch den Ladungsausgleichsstromfluss über die Kleinleistungshalbbrücken 116, 117, 126, 127. Für den erfindungsgemäßen Ladungsausgleich wird allerdings ebenfalls einer der beiden Leistungspfade 106 zum Schließen eines Hin- bzw. Rückpfades für den Ladungsausgleichsstromfluss beaufschlagt und muss dementsprechend von dem jeweiligen Modulkontroller 107 hierzu zum jeweiligen Energiespeicher 119, 129 freigeschaltet werden. Über ein jeweiliges Spannungsmessgerät 118, 128 kann eine Spannungsdifferenz bzw. ein unterschiedlicher Ladungszustand zwischen den Energiespeichern 119, 129 festgestellt werden, wobei der Ladungsausgleich bei Überschreiten einer Spannungsdifferenzschwelle von bspw. 5% oder 10% einer Modulnennspannung ausgelöst wird.
-
In 2 wird schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung 200 mit einer Intermodulspannungsmessung 212 zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC gezeigt. Das Spannungsmessgerät 118 des ersten Moduls 110 kann damit vom Energiespeicher 119 direkt zum Energiespeicher 129 des zweiten Moduls 120 messen, um die Spannungsdifferenz festzustellen. Die Messung der Spannungsdifferenz wird allerdings nur dann von dem jeweiligen lokalen Modulkontroller initiiert, wenn die zugehörige Intermoduleinheit, d. h. - abgesehen von dem Ladungsausgleichspfad 108 und den Kleinleistungshalbbrücken 116, 127 - alle für den Hin- bzw. Rückpfad des Ladungsausgleichsstromes beaufschlagten Halbbrücken 111, 112, 123, 124, in einem Bypasszustand oder in einem Parallelzustand ist. In diesen Zuständen zeigt das Spannungsmessgerät 118 genau die Differenzspannung der Energiespeicher 119, 129 an und kann bei Überschreiten der Spannungsdifferenzschwelle entsprechend den Ladungsausgleich bewirken. Analog kann entsprechend fortgesetzt das Spannungsmessgerät 128 des zweiten Moduls 120 mit der High-Side des nächsten Moduls verbunden sein und die entsprechende Spannungsdifferenz feststellen.
-
Wie voranstehend angemerkt, kann der Ladungsausgleich nur bei bestimmten Schaltzuständen der für den Hin- bzw. Rückpfad des Ladungsausgleichsstromes beaufschlagten Halbbrücken
111,
112,
123,
124 erfolgen. Die entsprechend zu realisieren Zustände der beiden Kleinleistungshalbbrücken
116,
127 am Ladungsausgleichspfad
108 sind in Tabelle 1 aufgelistet. Generell umfasst dabei eine Intermodulverbindung alle Leistungshalbleiterbrücken (hier
111,
112,
123,
124), die zusammen die Verbindung zwischen den jeweiligen Energiespeichern (hier 119, 129) zweier benachbarter Module (hier 110, 120) erzeugen, seien sie auf ein Modul oder zwei Module verteilt, siehe dazu auch
S. M. Goetz, Z. Li, X. Liang, C. Zhang, S. M. Lukic and A. V. Peterchev, „Control of Modular Multilevel Converter with Parallel Connectivity-Application to Battery Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 11, pp. 8381-8392, Nov. 2017.
doi: 10.1109/TPEL.2016.2645884.
Tabelle 1: Zustände zum Ladungsausgleich für alle möglichen Schaltzustände der Intermodulverbindung.
| Schaltzustand der Intermodulverbindung (Halbbrücken 111, 112, 123, 124) | Ladungsausgleichspfad 108 | Zustand der beiden Kleinleistungs-(KL)-halbbrücken 116, 127 des Ladungsausgleichspfades 108 in den jeweiligen Modulen |
| Zero/0 | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Bypass- | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Bypass+ | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Parallel | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Serie- | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Serie+ | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Zero/0 | an | alle KL-Transistoren aus, da kein Ausgleich möglich oder erwünscht |
| Bypass- | an | High-Side- KL-Transistoren der beiden KL-Halbbrücken an |
| Bypass+ | an | Low-Side- KL-Transistoren der beiden KL-Halbbrücken an |
| Parallel | an | egal, vorzugsweise aus |
| Serie- | an | vorzugsweise aus |
| Serie+ | an | vorzugsweise aus |
-
In 3 wird schematisch eine Aufteilung 300 eines Gesamtwiderstandes (siehe Bezugszeichen 105 in 1 oder 2) in zwei Einzelwiderstände 315, 325 an einem Ladungsausgleichspfad 305 zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC gezeigt. In den jeweiligen Modulen 310, 320 bildet ein jeweiliger Einzelwiderstand 315, 325 einen Anschluss des Ladungsausgleichspfades 305 an die jeweiligen Kleinleistungshalbbrücken 116, 117, 126, 127.
-
In 4 wird schematisch eine weitere Aufteilung 400 des Gesamtwiderstandes in Einzelwiderstände 411, 412, 421, 422 an einen Ladungsausgleichspfad 408 zu einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC gezeigt. In den jeweiligen Modulen 410, 420 sind die jeweiligen Kleinleistungshalbbrücken 416, 417, 426, 427 in Serie über jeweilige Einzelwiderstände 411, 421 mit dem jeweiligen oberen Potential (High-Side) bzw. über jeweilige Einzelwiderstände 412, 422 mit dem jeweiligen unteren Potential (Low-Side) verbunden. Dies hat den Vorteil, dass ein nach außen an dem jeweiligen Modul 410, 420 sichtbarer Anschluss des Ladungsausgleichspfades 408 als nur über den in das Modul 410, 420 integrierten Widerstand 411, 412, 421, 422 belastet werden kann, womit vorteilhaft selbst ein Kurzschluss so nicht zu hoher oder zerstörerischer Leistung führt. Diese jeweiligen nach außen sichtbaren Anschlüsse des Ladungsausgleichspfades 408 der beiden Module 410, 420 sind hier mit einer Steckverbindung 405 verbunden.
-
In 5 wird schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung 500 mit einer verringerten Anzahl an Kleinleistungstransistoren 516, 517, 526, 527 zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC gezeigt. Die jeweiligen Kleinleistungstransistoren 516, 517, 526, 527 sind auf einen High-Side-Anteil der in den 1 bis 4 gezeigten Kleinleistungshalbbrücken reduziert und seriell über einen jeweiligen Einzelwiderstand 511, 512, 521, 522 mit dem oberen Potential des jeweiligen Moduls 510, 520 verbunden.
-
Durch die Reduktion der jeweiligen Kleinleistungshalbbrücken auf nur noch jeweilige High-Side-Kleinleistungstransistoren
516,
517,
526,
527 ändert sich die Zuweisung der Schaltzustände, aufgelistet in Tabelle 2, eben dieser Kleinleistungstransistoren
516,
517,
526,
527 bei jeweiligen Zuständen der Intermodulverbindung, also der Halbbrücken
111,
112,
123,
124.
Tabelle 2: Zustände zum Ladungsausgleich bei verringerter Anzahl an Kleinleistungstransistoren für alle möglichen Schaltzustände der Intermodulverbindung.
| Schaltzustand der Intermodulverbindung (Halbbrücken 111, 112, 123, 124) | Ladungsausgleichspfad 108 | Zustand der beiden Kleinleistungstransistoren 516, 527 des Ladungsausgleichspfades 108 in den jeweiligen Modulen |
| Zero/0 | aus | aus |
| Bypass- | aus | aus |
| Bypass+ | aus | aus |
| Parallel | aus | aus |
| Serie- | aus | aus |
| Serie+ | aus | aus |
| Zero/0 | an | aus, da kein Ausgleich möglich oder erwünscht |
| Bypass- | an | an |
| Bypass+ | an | aus |
| Parallel | an | egal, vorzugsweise aus |
| Serie- | an | vorzugsweise aus |
| Serie+ | an | vorzugsweise aus |
-
In 6 wird schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung 600 mit zusätzlich angeordneten Dioden zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMSPC gezeigt. An den Anschluss des jeweiligen Kleinleistungstransistors 516, 517, 526, 527 an den jeweiligen Ladungsausgleichspfad werden jeweilige Dioden 611, 612, 621, 622 mit ihrer Kathode angeschlossen, sowie ihre Anode mit der Low-Side des jeweiligen Moduls 610, 620 verbunden. Im Falle eines hohen L/R-Verhältnisses, mit einer parasitären Induktivität L und einem effektiven Widerstand R, der sich aus den Einzelwiderständen 511, 512, 521, 522, Leitungswiderständen und Transistorkanalwiderständen bildet, kann so die Induktivität über die erfindungsgemäß angeordnete Diode 611, 612, 621, 622 entladen werden. Enthalten die Kleinleistungstransistoren 516, 517, 526, 527 antiparallele Freilaufdioden, können diese demselben Zweck dienen.
-
In 7 wird schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung 700 zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMC, also einen modularen Multilevelkonverter ohne eine parallele Verschaltungsmöglichkeit, gezeigt. Ein jeweiliges Modul 710, 720 weist einen Energiespeicher 119, 129 und zwei Halbbrücken 711, 713, 721, 723 auf, die jeweils durch einen mit einem negativen Pol des Energiespeichers 119, 129 verbundenen Low-Side-Leistungshalbleiterschalter und einen mit einem positiven Pol des Energiespeichers 119, 129 verbundenen High-Side-Leistungshalbleiterschalter gebildet sind. Zusätzlich weist das jeweilige Modul 710, 720 einen Modulkondensator 115, 125 aus, der von dem jeweiligen Energiespeicher 119, 129 (bis zu dessen Entladung) nach Leistungsabgabe wieder aufgeladen wird. Das erste Modul 710 weist nach außen für einen Leistungsstromfluss einen ersten (einadrigen) Modulanschluss 701 auf. Sein zweiter Modulanschluss bildet zusammen mit einem ersten Modulanschluss des zweiten Moduls 720 einen Leistungspfad 706. Schließlich weist das zweite Modul 720 einen zweiten Modulanschluss 703 auf, über welchen das zweite Modul 720 bspw. einen weiteren Leistungspfad mit einem weiteren, benachbarten Modul bildet oder, bspw. als erstes Modul eines Modulstranges, an einen Sternpunkt angeschlossen ist. Ein jeweiliger lokaler Schaltzustand des jeweiligen Moduls 710, 720 wird über einen jeweiligen Modulkontroller 707 gesteuert, der mit einem den MMC in seiner Gesamtheit steuernden Zentralkontroller verbunden ist. Erfindungsgemäß werden zu einer Steuerung eines Ladungsausgleichs in jedem Modul 710, 720 Kleinleistungstransistoren angeordnet, welche, hier als Halbbrücken 716, 717, 726, 727 angeordnet, mit der High-Side und der Low-Side des jeweiligen Moduls 710, 720 verbunden sind. Zwischen einer ersten Kleinleistungshalbbrücke 716 des ersten Moduls 710 und einer zweiten Kleinleistungshalbbrücke 727 des zweiten Moduls 720 befindet sich ein Ladungsausgleichspfad 708 mit einem Gesamtwiderstand 705. Das erste Modul 710 kann mit einem weiteren benachbarten Modul einen Ladungsausgleichspfad 702 bilden, und das zweite Modul 720 kann mit einem anderen benachbarten Modul einen Ladungsausgleichspfad 704 bilden. Der jeweilige lokale Modulkontroller 707 steuert nun sowohl den Leistungsstromfluss über die Halbbrücken 711, 713, 721, 723 der Leistungshalbleiterschalter, wie auch den Ladungsausgleichsstromfluss über die Kleinleistungshalbbrücken 716, 717, 726, 727. Für den erfindungsgemäßen Ladungsausgleich wird allerdings ebenfalls ein Leistungspfad 706 zum Schließen eines Hin- bzw. Rückpfades für den Ladungsausgleichsstromfluss beaufschlagt und muss dementsprechend von dem jeweiligen Modulkontroller 707 hierzu zum jeweiligen Energiespeicher 119, 129 freigeschaltet werden. Über ein jeweiliges Spannungsmessgerät 118, 128 kann eine Spannungsdifferenz bzw. ein unterschiedlicher Ladungszustand zwischen den Energiespeichern 119, 129 festgestellt werden, wobei der Ladungsausgleich bei Überschreiten einer Spannungsdifferenzschwelle von bspw. 5% oder 10% einer Modulnennspannung ausgelöst wird.
-
Auch beim MMC kann der Ladungsausgleich nur bei bestimmten Schaltzuständen der für den Hin- bzw. Rückpfad des Ladungsausgleichsstromes beaufschlagten Halbbrücken
711,
723 erfolgen. Die entsprechend zu realisieren Zustände der beiden Kleinleistungshalbbrücken
716,
727 am Ladungsausgleichspfad
708 sind in Tabelle 3 aufgelistet.
Tabelle 3: Zustände zum Ladungsausgleich für alle möglichen Schaltzustände der Intermodulverbindung.
| Schaltzustand der Intermodulverbindung (Halbbrücken 711, 723) | Ladungsausgleichspfad 708 | Zustand der beiden Kleinleistungs-(KL)-halbbrücken 716, 727 des Ladungsausgleichspfades 708 in den jeweiligen Modulen |
| Zero/0 | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Bypass- | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Bypass+ | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Serie- | aus | alle KL-Transistoren aus |
| Serie+ | aus | alle Transistoren aus |
| Zero/0 | an | alle KL-Transistoren aus, da kein Ausgleich möglich oder erwünscht |
| Bypass- | an | High-Side-KL-Transistoren der beiden KL-Halbbrücken an |
| Bypass+ | an | Low-Side-KL-Transistoren der beiden KL-Halbbrücken an |
| Serie- | an | vorzugsweise aus |
| Serie+ | an | vorzugsweise aus |
-
In 8 wird schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung 800 mit einer verringerten Anzahl an Kleinleistungstransistoren 816, 817, 826, 827 zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMC gezeigt. Die jeweiligen Kleinleistungstransistoren 816, 817, 826, 827 sind auf einen High-Side-Anteil der in 7 gezeigten Kleinleistungshalbbrücken reduziert und nur noch mit dem oberen Potential des jeweiligen Moduls 810, 820 verbunden.
-
Durch die Reduktion der jeweiligen Kleinleistungshalbbrücken auf nur noch jeweilige High-Side-Kleinleistungstransistoren
816,
817,
826,
827 ändert sich die Zuweisung der Schaltzustände, aufgelistet in Tabelle 4, eben dieser Kleinleistungstransistoren
816,
817,
826,
827 bei jeweiligen Zuständen der Intermodulverbindung, also der Halbbrücken
711,
723 (aus
7).
Tabelle 4: Zustände zum Ladungsausgleich bei verringerter Anzahl an Kleinleistungstransistoren für alle möglichen Schaltzustände der Intermodulverbindung.
| Schaltzustand der Intermodulverbindung (Halbbrücken 711, 723) | Ladungsausgleichspfad 708 | Zustand der beiden Kleinleistungstransistoren 816, 827 des Ladungsausgleichspfades 708 in den jeweiligen Modulen |
| Zero/0 | aus | aus |
| Bypass- | aus | aus |
| Bypass+ | aus | aus |
| Serie- | aus | aus |
| Serie+ | aus | aus |
| Zero/0 | an | aus, da kein Ausgleich möglich oder erwünscht |
| Bypass- | an | an |
| Bypass+ | an | aus |
| Serie- | an | vorzugsweise aus |
| Serie+ | an | vorzugsweise aus |
-
In 9 wird schematisch eine Ladungsausgleichsanordnung 900 mit zusätzlich angeordneten Dioden 911, 912, 921, 922 zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen MMC gezeigt. An den Anschluss des jeweiligen Kleinleistungstransistors 816, 817, 826, 827 an den jeweiligen Ladungsausgleichspfad werden jeweilige Dioden 911, 912, 921, 922 mit ihrer Kathode angeschlossen, sowie ihre Anode mit der Low-Side des jeweiligen Moduls 910, 920 verbunden.
