DE102021002626A1 - Hoch effizienter und optimal regelbarer Resonanzwandler mit spannungsunabhängigem bidirektionalem Betrieb. - Google Patents

Hoch effizienter und optimal regelbarer Resonanzwandler mit spannungsunabhängigem bidirektionalem Betrieb. Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur bidirektionalen Leistungsübertragung zwischen zwei galvanisch getrennten Energiespeichern. Die Resonanzwandlerschaltung weist zwei parallel geschaltete Serienresonanzkreise auf, deren Ströme in der primären Brücke addiert werden. Sekundär werden die beiden Ströme in einem Übertrager subtrahiert und anschließend in einer zweiten Brücke gleichgerichtet.Die Energiespeicher können beispielsweise eine Hochvolt- und eine Niedervoltbatterie in einem Elektroauto sein. Ebenso ist es denkbar mit dieser Vorrichtung einen Kurzzeitspeicher (Superkondensatoren) beim Bremsvorgang zu laden und anschließend diese Energie wieder zurückzuspeisen und zum Laden einer Batterie oder zur Speisung des Elektromotors zu verwenden.Eine Anwendung wäre auch in Gebäuden mit erneuerbarer Energieversorgung denkbar. Die Energie aus Solarzellen oder anderen unstetigen Quellen kann mit der Vorrichtung in einen stationären Energiespeicher übertragen werden und bei Bedarf in das Gebäudenetz rückgespeist werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur bidirektionalen Leistungsübertragung zwischen zwei galvanisch getrennten Energiespeichern. Die Energiespeicher können beispielsweise eine Hochvolt- und eine Niedervoltbatterie in einem Elektroauto sein. Ebenso ist es denkbar mit dieser Vorrichtung einen Kurzzeitspeicher (Superkondensatoren) beim Bremsvorgang zu laden und anschließend diese Energie wieder zurückzuspeisen und zum Laden einer Batterie oder zur Speisung des Elektromotors zu verwenden.
  • Eine Anwendung wäre auch in Gebäuden mit erneuerbarer Energieversorgung denkbar. Die Energie aus Solarzellen oder anderen unstetigen Quellen kann mit der Vorrichtung in einen stationären Energiespeicher übertragen werden und bei Bedarf in das Gebäudenetz rückgespeist werden.
  • Eine galvanisch getrennte bidirektionale Leistungsübertragung ist mit bisherigen Resonanzwandlern prinzipiell schon möglich. Meistens kann aber nicht dieselbe Leistung ein- und rückgespeist werden. Außerdem ist es bisher nicht möglich mit einer Topologie Ein- und Rückspeisung unabhängig von den Spannungsniveaus durchzuführen. Es muss also die Einspeisespannung immer größer sein als die transformierte Ausgangsspannung. Wenn das nicht der Fall ist, wurden in bisherigen Lösungen zusätzliche Wandler in Reihe geschaltet, die für das nötige Spannungsgefälle sorgen. Diese zusätzlichen Wandler verringern aber den Wirkungsgrad.
  • Mit der hier beschriebenen Schaltung ist es möglich, unabhängig von den Spannungsniveaus, dieselbe Leistung ein- und rückzuspeisen.
  • Das Funktionsprinzip ist sehr einfach. Es benötigt für die beschriebenen Vorteile keine Schaltungszusätze. Es ist deshalb sehr gut für hohe Schaltfrequenzen bis in den Megahertzbereich geeignet.
  • Resonanzwandler eignen sich für hohe Leistungen im Kilowatt Bereich, da sie prinzipiell einen sehr hohen Wirkungsgrad haben. Diesen hohen Wirkungsgrad erreichen sie aber nur, wenn im Stromnulldurchgang des Resonanzstroms geschaltet wird. Muss der Resonanzwandler geregelt werden, weil beispielsweise die Eingangs- oder Ausgangsspannung variiert, so geht das in vielen Topologien nur mit Verstimmung der Schaltfrequenz. Das führt aber zum Schalten außerhalb des Stromnulldurchgangs des Resonanzstroms und dadurch zu erhöhten Verlusten.
  • In der Patentschrift DE 10 2011 100 356 B4 wird ein Resonanzwandler mit verbessertem Regelprinzip beschrieben. Diese Topologie arbeitet mit verstimmbaren Resonanzkreisen, benötigt aber zwei Übertrager und ist nur bedingt rückspeisefähig. Das in der Patentschrift beschriebene Regelprinzip wird auch hier verwendet.
  • Allerdings werden jetzt bei konstanter Schaltfrequenz immer beide Regelkreise verstimmt, wobei einer der beiden Resonanzströme bezüglich des Eingangsstroms voreilend und der andere nacheilend ist. Die Regelung erfolgt über die gleichzeitige Verstimmung beider Resonanzkreise symmetrisch zur Schaltfrequenz. Diese Regelung funktioniert über einen sehr großen Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich (Faktor 10 und mehr), wobei immer alle Schalter im Stromnulldurchgang, also verlustlos, schalten.
  • Um die Impedanz der Resonanzkreise bei der Schaltfrequenz mit zunehmender Verstimmung zu vergrößern, muss beim Resonanzkreis mit voreilendem Strom (VE-Betrieb) die variable Kapazität verkleinert und beim Resonanzkreis mit nacheilendem Strom (NE-Betrieb) die variable Induktivität vergrößert werden.
  • Mit den augenblicklich verfügbaren Bauteilen erscheint eine Realisierung beider Betriebsarten mit variablen, sättigbaren Induktivitäten am sinnvollsten. Um die Verluste gering zu halten bieten sich Ringkerndrosseln mit orthogonal zueinander gerichteten Magnetfeldern der Resonanz- und Steuerwicklungen an.
  • Die Vorrichtung kann mit Halb- oder Vollbrücken betrieben werden, wobei im Betrieb umgeschaltet werden kann um beispielsweise den Eingangs- oder Ausgangsspgsbereich zu vergrößern. Für kleine Leistungen bis zum Leerlauf ist der Betrieb mit einem speziellen Pulsbetrieb möglich. Wenn der Energietransfer nur in eine Richtung erfolgen soll, so kann die jeweils sekundäre Brücke nur aus Dioden bestehen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert, wobei die Zeichnungsfigur 1 zur Erläuterung des Standes der Technik dient und die Erfindung anhand der 2 - 9 erläutert wird:
    • 1 Resonanzwandler mit verbessertem Regelprinzip aus Patentschrift DE 10 2011 100 356 B4 .
    • 2 Resonanzwandler aus Erfindung.
    • 3 Resonanzwandler aus Erfindung im Einspeisebetrieb (Energieübertragung von U1 auf U2).
    • 4 Resonanzströme Ine und Ive, Primär- und Sekundärströme und Schalterströme im Einspeisebetrieb (Energieübertragung von U1 auf U2).
    • 5 Verhalten bei konstanter Einspeisespannung U1 = 40V und Variation von U2 von 20V bis 60V. U2 ist also anfangs kleiner und zum Ende größer als U1. Das Einspeiseverhalten ist davon nicht betroffen.
    • 6 Resonanzwandler aus Erfindung im Rückspeisebetrieb (Energieübertragung von U2 auf U1).
    • 7 Resonanzströme Ine und Ive, Primär- und Sekundärströme und Schalterströme im Rückspeisebetrieb (Energieübertragung von U2 auf U1).
    • 8 Verhalten bei variabler Einspeisespannung U2 = 20V bis 60V und U1 = 40V. U2 ist also anfangs kleiner und zum Ende größer als U1. Das Rückspeiseverhalten ist davon nicht betroffen.
    • 9 Schaltungsvariante mit zwei variablen, sättigbaren Induktivitäten.
  • Stand der Technik
  • In der Patentschrift DE 10 2011 100 356 B4 wird ein Resonanzwandler mit neuartigem Regelprinzip beschrieben. Diese Topologie arbeitet mit verstimmbaren Resonanzkreisen, benötigt aber zwei Übertrager und ist nur bedingt rückspeisefähig. Das Schalten erfolgt in allen Schaltern im Stromnulldurchgang. Die Einspeisespannung muss immer größer sein als die transformierte Ausgangsspannung.
  • Resonanzwandler mit verbessertem Regelprinzip siehe Fig. 1
  • Verbesserte Schaltung (Erfindung)
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur bidirektionalen Leistungsübertragung zwischen zwei galvanisch getrennten Energiespeichern U1 und U2.
  • Der Übertrager besitzt vier Wicklungen, wobei die Wicklungen Wne, Wsek1 und Wsek2 denselben Wickelsinn besitzen. Der Wickelsinn der Wicklung Wve ist dagegen invertiert. Dadurch ergibt sich für den Sekundärstrom Isek die Differenz der beiden transformierten Ströme Ive und Ine.
  • Resonanzwandler aus Erfindung
  • siehe Fig. 2
  • Einspeisung (Energieübertragung von U1 auf U2)
  • Resonanzwandler aus Erfindung im Einspeisebetrieb (Energieübertragung von U1 auf U2).
  • siehe Fig. 3
  • Regelprinzip für die Einspeisung
  • Die beiden Primärschalter S1 und S1s schalten immer alternierend mit der Schaltfrequenz fs und einem Tastverhältnis von 0.5. Die beiden variablen Komponenten Cve und Lne werden so verstimmt, dass die Phasen der Ströme Ive und Ine gegenüber dem Eingangsstrom Iprim betragsmäßig gleich, aber invertiert sind. Da der Primärstrom Iprim die Summe der beiden Resonanzströme Ive und Ine ist, ergibt sich in den beiden Schaltern S1 und S1s verlustloses Schalten im Stromnulldurchgang.
  • Der Schalter S2 wird so angesteuert, dass er für die negative Halbwelle der Stromdifferenz Ine - Ive geschlossen ist, der Schalter S2s ist für die positive Halbwelle geschlossen. Damit ergibt sich auch für die Sekundärschalter verlustloses Schalten im Stromnulldurchgang.
  • Resonanzströme Ine und Ive, Primär- und Sekundärströme und Schalterströme im Einspeisebetrieb.
  • siehe Fig. 4
  • Einspeisung ist möglich unabhhängig von den Spannungsniveaus von U1 und U2.
  • Verhalten bei konstanter Einspeisespannung U1 = 40V und Variation von U2 von 20V bis 60V. U2 ist also anfangs kleiner und zum Ende größer als U1. Das Einspeiseverhalten ist davon nicht betroffen.
  • siehe Fig. 5
  • Rückspeisung (Energieübertragung von U2 auf U1)
  • Resonanzwandler aus Erfindung im Rückspeisebetrieb (Energieübertragung von U2 auf U1).
  • siehe Fig. 6
  • Regelprinzip für die Rückspeisung
  • Bei der Rückspeisung schalten die beiden Sekundärschalter S2 und S2s immer alternierend mit der Schaltfrequenz fs und einem Tastverhältnis von 0.5. Da der Sekundärstrom Isek die Summe der beiden Ströme Isek1 und Isek2 ist, ergibt sich in den beiden Schaltern S2 und S2s verlustloses Schalten im Stromnulldurchgang.
  • Der Schalter S1 wird so angesteuert, dass er für die negative Halbwelle der Stromsumme Ive + Ine geschlossen ist, der Schalter S1s ist für die positive Halbwelle geschlossen. Damit ergibt sich auch für die Primärschalter verlustloses Schalten im Stromnulldurchgang.
  • Resonanzströme Ine und Ive, Primär- und Sekundärströme und Schalterströme im Rückspeisebetrieb.
  • siehe Fig. 7
  • Rückspeisung ist möglich unabhhängig von den Spannungsniveaus von U1 und U2.
  • Verhalten bei variabler Einspeisespannung U2 = 20V bis 60V und U1 = 40V. U2 ist also anfangs kleiner und zum Ende größer als U1. Das Rückspeiseverhalten ist davon nicht betroffen.
  • siehe Fig. 8
  • Schaltungsvariante
  • Mit den augenblicklich verfügbaren Bauteilen erscheint eine Realisierung der Resonanzkreise für beide Betriebsarten mit variablen, sättigbaren Induktivitäten am sinnvollsten. Um die Verluste gering zu halten bieten sich Ringkerndrosseln mit orthogonalen zueinander gerichteten Magnetfeldern der Resonanz- und Steuerwicklungen an.
  • Schaltungsvariante mit zwei variablen, sättigbaren Induktivitäten.
  • siehe Fig. 9
  • Es folgen 9 Seiten Zeichnungen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011100356 B4 [0007, 0012, 0013]

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur bidirektionalen Leistungsübertragung zwischen zwei Energiespeichern dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzwandlerschaltung zwei parallel geschaltete Serienresonanzkreise (RK1) und (RK2) aufweist, deren Ströme (Ive) und (Ine) in der primären Halb- oder Vollbrücke (PB) addiert werden. Sekundär werden die beiden Ströme in einem Übertrager (TR) subtrahiert und anschließend in einer zweiten Halb- oder Vollbrücke (SB) gleichgerichtet. Die Leistungsübertragung kann bidirektional zwischen den beiden Energiespeichern (U1) und (U2) erfolgen unabhängig von den Spannungsniveaus dieser Speicher (siehe 2).
  2. Resonanzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl bei Ein- als auch Rückspeisung unabhängig von den Spannungsniveaus und in einem großen Lastbereich in allen Schaltern (S1, S1s, S2, S2s) immer verlustlos im Stromnulldurchgang geschaltet wird.
  3. Resonanzwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem speziellen Regelungsprinzip möglich ist, die Schalter (S1, S1s, S2, S2s) so anzusteuern, dass die Leistungsübertragung bidirektional zwischen den beiden Energiespeichern (U1) und (U2) erfolgen kann, unabhängig von den Spannungsniveaus dieser Speicher.
  4. Resonanzwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl primär- als auch sekundärseitig Voll- oder Halbbrückenschaltungen verwendet werden können. Wobei im Betrieb zwischen Voll- und Halbbrücke umgeschaltet werden kann, um beispielsweise den Eingangs- oder Ausgangsspannungsbereich zu vergrößern. Wenn in der Vorrichtung der Energietransfer nur in eine Richtung erfolgen soll, so kann die jeweils sekundäre Brücke auch nur aus Dioden bestehen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2008029343A2 (en) 2006-09-08 2008-03-13 Bobinados De Transformadores S.L. Resonant power converter
DE102011100356B4 (de) 2011-05-03 2014-03-20 Horst Edel Vorrichtung zum Laden von Batterien

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