DE102021101440A1

DE102021101440A1 - Verfahren zum vorladen einer elektrochemischen last, vorladeschaltung zur durchführung des verfahrens und gleichrichter mit einer vorladeschaltung

Info

Publication number: DE102021101440A1
Application number: DE102021101440.9A
Authority: DE
Inventors: Ralf Juchem; Alexander Unru
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zum Vorladen einer elektrochemischen Last (11) über eine Vorladeschaltung (1), die zwischen einer DC-Quelle (10) und der elektrochemischen Last (11) angeordnet ist, wobei die Vorladeschaltung (1) eine Reihenschaltung aus einem Vorladewiderstand (2) und einem Trennschalter (3) aufweist, wobei parallel zu dem Vorladewiderstand (2) oder parallel zu der Reihenschaltung aus Vorladewiderstand (2) und Trennschalter (3) ein weiterer Trennschalter (4) angeordnet ist, und wobei der Vorladewiderstand (2) eine für einen kontinuierlichen Leistungsfluss ausgelegte Nominalleistung Pnomaufweist, mit den Schritten:- Schließen des Trennschalters (3), wodurch ein Beginn eines aktiven Zeitfensters (21) definiert wird,- Vorladen der elektrochemischen Last (11) durch einen von der DC-Quelle (10) über den Vorladewiderstand (2) fließenden Strom I(t), wobei der Strom I(t) eine Verlustleistung PR(t) an dem Vorladewiderstand (2) erzeugt, die oberhalb der Nominalleistung Pnomdes Vorladewiderstandes (2) liegt,- wobei der durch den Vorladewiderstand (2) fließende Strom I(t) außerhalb des aktiven Zeitfensters zumindest weitgehend unterdrückt wird und wobei ein Ende des aktiven Zeitfenster zu einem Zeitpunkt definiert wird, zu dem eine innerhalb des aktiven Zeitfensters (21) über die Verlustleistung PR(t) an dem Vorladewiderstand (2) akkumulierte Verlustenergie ΔEReinen vordefinierten Schwellwert erreicht oder überschreitet. Die Anmeldung beschreibt zudem eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Vorladeschaltung (1) und einen aktiv gesteuerten Gleichrichter (32) mit einer derartigen Vorladeschaltung (1).

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen einer elektrochemischen Last aus einer DC-Quelle mittels einer Vorladeschaltung. Bei der elektrochemischen Last handelt es sich um eine DC-Last, bei der eine chemische Reaktion über einen Stromfluss gesteuert abläuft. Dabei kann es sich insbesondere um eine wiederaufladbare Batterie oder einen Elektrolyseur handeln. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorladeschaltung, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, sowie einen aktiv gesteuerten Gleichrichter mit einer derartigen Vorladeschaltung.
Stand der Technik
Zur industriellen Erzeugung von Wasserstoff werden Elektrolyseure mit nominellen Leistungen von 0,5 MW bis hin zu 50 MW eingesetzt. Dabei sind die Elektrolyseure über einen Gleichrichter an ein Wechselspannungs (AC) - Netz angeschlossen. Über die Spannung am Ausgang des Gleichrichters bzw. am Eingang des Elektrolyseurs wird eine Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion gesteuert, bei der Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird.
Die Elektrolyseure weisen bei kleinen Spannungen unterhalb einer Grenzspannung U_Gr ein vorwiegend kapazitives Verhalten auf, welches aus einem Aufbau von Doppelschichten in elektrochemischen Zellen des Elektrolyseurs resultiert. Die chemische Elektrolysereaktion hingegen findet - zumindest zu einem signifikanten Anteil - erst bei Spannungen oberhalb der Grenzspannung U_Gr statt. Beide Mechanismen spiegeln sich auch in einer typischen Strom-Spannungs-Kennlinie des Elektrolyseurs wider. Bei Spannungen unterhalb U_Gr fließt kein stationärer DC-Strom, es ist jedoch ein - vorteilhafterweise möglichst kontrolliert erfolgender - Ladungstransport in den Elektrolyseur erforderlich, um die Doppelschichten vor dessen Elektroden zu erzeugen und eine dem Elektrolyseur innewohnende Kapazität aufzuladen. Bei Spannungen oberhalb der Grenzspannung U_Gr zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie ein näherungsweise ohmsches Verhalten, bei dem der von dem Elektrolyseur aufgenommene Strom und die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektrolysereaktion mit zunehmender Spannung ansteigt. Um den Aufstartvorgang, mit anderen Worten eine Vorladung des Elektrolyseurs, möglichst kurz zu halten, ist nun einerseits ein möglichst rasches Erreichen der Grenzspannung U_Gr gewünscht. Dabei ist jedoch der Strom aus der DC-Quelle derart zu begrenzen, dass der Gleichrichter, insbesondere deren Halbleiterschalter nicht beschädigt werden. Auf der anderen Seite ist gewünscht, dass eine am Eingang des Elektrolyseurs herrschende Spannung bei dem Aufstartvorgang nicht schlagartig die Grenzspannung U_Gr übersteigt, da in diesem Fall eine rapide einsetzende Gaserzeugung einen schnellen Druckanstieg in dem Elektrolyseur zur Folge hätte, der aufgrund eines Sicherheitssystems des Elektrolyseurs zur Abschaltung desselben führen würde.
Eine Topologie einer herkömmlicherweise für die Vorladung des Elektrolyseurs aus einer DC-Quelle genutzte Vorladeschaltung beinhaltet zwei Pfade, einen Vorladepfad und einen stationären Pfad. In dem Vorladepfad ist eine Reihenschaltung eines Vorladewiderstandes und eines Trennschalters, beispielsweise eines elektromechanischen Trennschalters angeordnet. Parallel zu der Reihenschaltung ist der stationäre Pfad geschaltet, der einen weiteren elektromechanischen Trennschalter aufweist. Eine Vorladung des Elektrolyseurs erfolgt über den Vorladepfad bei geschlossenem Trennschalter (und typischerweise bei geöffnetem weiteren Trennschalter). Ist die Vorladung des Elektrolyseurs beendet, erfolgt ein stationärer Betrieb ausschließlich über den stationären Pfad bei geschlossenem weiteren Trennschalter und geöffnetem Trennschalter. Die Vorladeschaltung, insbesondere deren Vorladewiderstand, ist dabei so auszulegen, dass sie/er einem Kurzschlussfehler am Eingang des Elektrolyseurs und einem damit verbundenen Überstrom standhält. Hieraus resultiert ein hoher Wert für eine Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes. Gleichzeitig ist der eventuell auftretende Überstrom durch den Vorladewiderstand so zu begrenzen, dass Halbleiterkomponenten des Gleichrichters, die ebenfalls von dem Überstrom durchflossen werden, nicht beschädigt werden. Andererseits soll ein Stromfluss bei der Vorladung aber auch so groß sein, dass die Vorladung möglichst rasch erfolgt und ein Kurzschluss am Eingang des Elektrolyseurs sicher erkannt wird. Aufgrund dieser teils gegenläufigen Anforderungen ergibt sich ein Vorladewiderstand, mit einem Widerstandswert innerhalb eines gewissen Bereiches, und einer erforderlichen Nominalleistung P_nom als zulässige Verlustleistung für den Dauerbetrieb, was üblicherweise mit hohen Kosten verbunden ist.
Das oben exemplarisch am Beispiel eines Elektrolyseurs als elektrochemische Last Gesagte lässt sich in gleicher Weise auf eine wiederaufladbare Batterie übertragen.
Aus der Schrift DE102010061537A1 ist eine Sicherheitsentladevorrichtung für einen Kondensator mit einer getakteten Schalteinrichtung zur Herstellung und Unterbrechung eines Entladestroms bekannt. Die Sicherheitsentladevorrichtung weist eine Spannungserfassungseinrichtung auf, die mit Mitteln zur Überprüfung einer Entladbarkeit des elektrischen Speicherelementes verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vorladung einer elektrochemischen Last, insbesondere eines Elektrolyseurs oder einer wiederaufladbaren Batterie anzugeben, mit dem die Vorladung möglichst rasch und kostengünstig erfolgt. Dabei soll einerseits ein Überstrom bei einem eventuellen Kurzschlussfehler der elektrochemischen Last nach oben hin so begrenzt werden, dass weder der Vorladewiderstand noch Halbleiterkomponenten, die ebenfalls von dem Überstrom durchflossen werden, beschädigt werden. Andererseits soll der Strom jedoch so groß sein, dass ein Kurzschlussfehler der elektrochemischen Last sicher erkannt wird. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorladeschaltung aufzuzeigen und einen Gleichrichter zur Versorgung einer elektrochemischen Last aus einem AC-Netz mit einer derartigen Vorladeschaltung anzugeben.
Lösung
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, eine Vorladeschaltung zur Durchführung des Verfahrens aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Die Aufgabe, einen Gleichrichter zur Versorgung einer elektrochemischen Last aus einem AC-Netz mit einer derartigen Vorladeschaltung anzugeben, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 11 wiedergegeben. Eine vorteilhafte Ausführungsform des Gleichrichters in dem Anspruch 14 aufgeführt.
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt auf eine Vorladung einer elektrochemischen Last mittels einer Vorladeschaltung, die zwischen einer DC-Quelle und der elektrochemischen Last angeordnet ist. Dabei weist die Vorladeschaltung eine Reihenschaltung aus einem Vorladewiderstand und einem Trennschalter auf. Der Vorladewiderstand weist eine für einen kontinuierlichen Leistungsfluss ausgelegte Nominalleistung P_nom auf. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Schließen des Trennschalters, wodurch ein Beginn eines aktiven Zeitfensters definiert wird,
- Vorladen der elektrochemischen Last in dem aktiven Zeitfenster durch einen von der DC-Quelle über den Vorladewiderstand fließenden Strom I(t), wobei der Strom I(t) eine Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand erzeugt, die oberhalb der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes liegt,
- Bestimmung einer Verlustenergie ΔE_R , die seit Beginn des aktiven Zeitfensters über die Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand akkumuliert wird,
- Vergleich der bestimmten Verlustenergie ΔE_R mit einem vordefinierten Schwellwert,
- zumindest weitgehendes Unterdrücken des Stroms I(t) durch den Vorladewiderstand und Beenden des aktiven Zeitfensters in Abhängigkeit des Vergleichs, insbesondere wenn die bestimmte Verlustenergie ΔE_R den vordefinierten Schwellwert erreicht oder überschreitet.

Die DC-Quelle kann eine naturgemäß vorliegende DC-Quelle, z.B. einen Photovoltaik (PV) - Generator umfassen und insbesondere frei von einer einer Wechselspannungs (AC) - Quelle entzogenen Leistung sein. Alternativ oder kumulativ ist es jedoch möglich, dass die DC-Quelle einen Gleichrichter umfasst, der von einer AC-Quelle, beispielsweise aus einem AC-Netz, gespeist wird. Bei dem Gleichrichter kann es sich insbesondere um einen aktiv gesteuerten Gleichrichter handeln, der eine Transistoren und Freilaufdioden umfassende Brückenschaltung aufweist. Erfindungsgemäß liegt in jedem der aktiven Zeitfenster die über den Stromfluss I(t) an dem Vorladewiderstand erzeugte Verlustleistung P_R(t) oberhalb der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes. Dabei kann die von dem Vorladewiderstand mittels des Stroms I(t) erzeugte Verlustleistung P_R(t) in jedem der aktiven Zeitfenster vollständig, d.h. während einer gesamten ersten Zeitdauer Δt₁ des entsprechenden aktiven Zeitfensters, oberhalb der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes liegen.
Alternativ oder kumulativ ist es jedoch auch möglich, dass die an dem Vorladewiderstand mittels des Stroms I(t) erzeugte Verlustleistung P_R(t) in einem oder mehreren der aktiven Zeitfenster lediglich während eines begrenzten Zeitraums, der kleiner als die erste Zeitdauer Δt₁ des entsprechenden aktiven Zeitfensters ist, oberhalb der Nominalleistung P_nom und in dem verbleibenden Zeitraum bis zum Ablauf der ersten Zeitdauer Δt₁ unterhalb der Nominalleistung P_nom liegt. Die Vorladung weist zumindest ein aktives Zeitfenster auf. Sie kann aber auch 2 oder mehr aktive Zeitfenster aufweisen, von denen jeweils zwei benachbarte aktive Zeitfenster über ein inaktives Zeitfenster voneinander getrennt sind.
Erfindungsgemäß erfolgt die Vorladung der elektrochemischen Last mit einem oder mehreren zeitlich voneinander entfernten Energiepaketen ΔE. Jedes der Energiepakete ΔE kann, beispielsweise über eine Detektion von Strom- und/oder Spannungswerten, so limitiert werden, dass in jedem der aktiven Zeitfenster eine Beschädigung des Vorladewiderstandes, gegebenenfalls auch eine Beschädigung von von dem Strom ebenfalls durchflossenen Halbleiterkomponenten ausgeschlossen ist. An jedes der aktiven Zeitfenster schließt sich eine Abkühlphase für den Vorladewiderstand mit zumindest wesentlich unterdrücktem Strom I(t), gegebenenfalls auch vollständig unterdrücktem Strom I(t) durch den Vorladewiderstand I(t) = 0 A an. Die Abkühlphase kann zeitlich nach Beenden der Vorladung und während eines ohmschen Betriebs der elektrochemischen Last erfolgen, bei dem ein Strom I(t) nicht notwendigerweise durch den Vorladewiderstand fließen muss, sondern vielmehr dauerhaft über den weiteren Trennschalter fließen kann. Alternativ kann es sich jedoch auch um eine Abkühlphase handeln, die während einer noch nicht abgeschlossenen Vorladung der elektrochemischen Last, beispielsweise während eines oder mehrerer voneinander getrennter inaktiver Zeitfenster mit im Wesentlichen oder vollständig unterdrücktem Strom I(t) erfolgt. Unter einem wesentlich unterdrückten Strom ist ein Strom I(t) zu verstehen, der an dem Vorladewiderstand eine Verlustleistung P_R(t) erzeugt, die während des gesamten inaktiven Zeitfensters um mindestens einen Faktor 20 kleiner, vorteilhafterweise um mindestens einen Faktor 100 kleiner gegenüber der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes ist. Dabei ist den aktiven Zeitfenstern jeweils eine erste Zeitdauer Δt₁ , den inaktiven Zeitfenstern, soweit vorhanden, jeweils eine zweite Zeitdauer Δt₂ zugeordnet. Die zweiten Zeitdauern Δt₂ , gegebenenfalls auch die ersten Zeitdauern Δt₁ können im Laufe der Vorladung variieren. Dies ist jedoch nicht zwingenderweise notwendig. Die erste Zeitdauer Δt₁ kann üblicherweise in einem Bereich von 5s bis 60s variieren, während die zweite Zeitdauer Δt₂ üblicherweise in einem Bereich von 60s bis 900s liegen kann. Der Strom I(t) während der Vorladung kann Werte von einigen 100A annehmen. In der Abkühlphase, d.h. nach erfolgter Vorladung oder während der Vorladung innerhalb der inaktiven Zeitfenster, wird dem Vorladewiderstand, gegebenenfalls auch den von dem Strom I(t) gleichzeitig durchflossenen Halbleiterkomponenten, Gelegenheit gegeben, wieder entsprechend abzukühlen. Dabei erfolgt eine Abkühlung umso rascher, je größer eine am Ende des vorangegangenen aktiven Zeitfensters erreichte Temperaturdifferenz zwischen dem jeweiligen Bauteil, d.h. dem Vorladewiderstand und/oder der Halbleiterkomponente, und dessen Umgebung ist. Aufgrund einer Kontrolle der akkumulierten Verlustenergie ΔE_R an dem Vorladewiderstand während des/der aktiven Zeitfenster kann der Vorladewiderstand bewusst so ausgelegt werden, dass er einen Kurzschlussfehler am Eingang der elektrochemischen Last nicht dauerhaft unbeschadet übersteht. Vielmehr kann er mit einer relativ geringen Nominalleistung P_nom und damit deutlich kostengünstiger ausgelegt werden. Konkret kann seine Nominalleistung P_nom verglichen mit einer Nominalleistung, wie sie bei einem kontinuierlich erfolgenden Leistungsfluss während der Vorladung der elektrochemischen Last sein müsste, deutlich geringer gewählt werden. Dies liegt hauptsächlich darin, dass schon während der Vorladung innerhalb der inaktiven Zeitfenster, wie auch unmittelbar nach der Vorladung Abkühlphasen für den Vorladewiderstand, wie auch die ebenfalls vom Strom durchflossenen Halbleiterkomponenten erfolgen. Jede der Abkühlungsphasen ist dadurch effizienter, weil sie von einer zumindest kurzzeitig präsenten, hohen Temperaturdifferenz zwischen dem abzukühlenden Bauteil und seiner Umgebung startet. Indem der Vorladewiderstand lediglich temporär bewusst oberhalb seiner Nominalleistung P_nom beansprucht wird, kann - bei gegebenem Spannungsabfall über dem Vorladewiderstand - auch sein Widerstandswert relativ zu einem Widerstandswert eines Vorladewiderstandes, der dauerhaft von einem kontinuierlichen Strom durchflossen wird, verkleinert werden. Auf diese Weise wird schon in dem ersten aktiven Zeitfenster eine relativ hohe Ladungsmenge in die elektrochemische Last transferiert, wodurch die elektrochemische Last entsprechend hoch aufgeladen wird. Sollte nun ein Kurzschlussfehler am Eingang der elektrochemischen Last vorliegen, kann dieser leicht dadurch erkannt werden, dass eine detektierte Spannung am Eingang der elektrochemischen Last einen erforderlichen Schwellwert nicht erreicht. Ein erneutes Verbinden der elektrochemischen Last mit der DC-Quelle am Ende des entsprechenden inaktiven Zeitfensters kann somit bei Vorliegen eines Kurzschlussfehlers schon frühzeitig unterdrückt werden. Zusammenfassend ergibt sich ein Verfahren, welches eine möglichst rasche und sichere Vorladung der elektrochemischen Last auf kostengünstige Art und Weise gewährleistet.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Vorladung mit einem von der DC-Quelle mittels der Vorladeschaltung bereitgestellten pulsartig geformten Strom I(t) durch die Vorladeschaltung. Dabei wechseln sich mehrere aktive Zeitfenster mit einer dem Strom zugeordneten Verlustleistung P_R(t) oberhalb der Nominalleistung P_nom jeweils mit einem inaktiven Zeitfenster mit zumindest weitgehend unterdrücktem Strom I(t) - und damit unterdrückter Verlustleistung P_R(t) - in alternierender Weise ab. Dabei weist jedes der aktiven Zeitfenster die Schritte auf:

- Bestimmung der Verlustenergie ΔE_R , die seit Beginn des aktiven Zeitfensters über die Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand akkumuliert wird,
- Vergleich der bestimmten Verlustenergie ΔE_R mit einem vordefinierten Schwellwert,
- Unterdrücken des Stroms I(t) durch den Vorladewiderstand und Beenden des aktiven Zeitfensters in Abhängigkeit des Vergleichs. Sollte die Vorladung nicht in dem ersten aktiven Zeitfenster beendet werden können, wird auf diese Weise schon während der Vorladung dem Vorladewiderstand und den von dem Strom I(t) durchflossenen Halbleiterkomponenten Gelegenheit zur Abkühlung gegeben. Dabei erfolgt die Abkühlung umso rascher oder effektiver, je größer eine am Ende des vorangegangenen aktiven Zeitfensters erreichte Temperaturdifferenz zwischen dem jeweiligen Bauteil, d.h. dem Vorladewiderstand und/oder der Halbleiterkomponente, und dessen Umgebung ist. Durch eine Überwachung der Verlustenergie ΔE_R und eine rechtzeitige zeitliche Begrenzung der aktiven Zeitfenster wird ein Schaden des Vorladewiderstandes und der Halbleiterkomponenten verhindert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der Strom I(t) in jedem der inaktiven Zeitfenster vollständig unterdrückt werden, so dass ein diskontinuierlicher Strom I(t) durch den Vorladewiderstand resultiert. Auf diese Weise ist eine erneute, wenn auch lediglich geringe Erzeugung von Verlustleistung sowohl in dem Vorladewiderstand, gegebenenfalls auch in den gleichzeitig vom Strom durchflossenen Halbleiterkomponenten während der inaktiven Zeitfenster vollständig ausgeschlossen. Die Abkühlung des Vorladewiderstandes in den inaktiven Zeitfenstern ist hierdurch besonders effektiv. Der Strom I(t) durch den Vorladewiderstand kann einerseits durch ein Öffnen des Trennschalters vollständig unterdrückt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Vergleich ergibt, dass die akkumulierten Verlustenergie ΔE_R den vorgegebenen Schwellwert erreicht oder überschreitet und die Vorladung noch nicht abgeschlossen ist. Alternativ oder kumulativ kann die Vorladeschaltung einen weiteren Trennschalter umfassen, der parallel zu dem Vorladewiderstand oder parallel zu der Reihenschaltung aus Vorladewiderstand und Trennschalter angeordnet ist. In diesem Fall kann der Strom I(t) durch den Vorladewiderstand jedoch auch durch ein Schließen des weiteren Trennschalters unterdrückt werden. Das Schließen des weiteren Trennschalters ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nicht nur das aktive Zeitfenster, sondern auch die Vorladung der elektrochemischen Last beendet werden soll und die elektrochemische Last dauerhaft, zumindest jedoch für einen längeren Zeitraum in ihrem ohmschen Bereich betrieben werden soll.
Gemäß dem Verfahren erfolgt während dem aktiven Zeitfenster, gegebenenfalls während jedem der aktiven Zeitfenster, eine Bestimmung der über die Verlustleistung P_R(t) akkumulierten Verlustenergie ΔE_R des Vorladewiderstandes. Dies kann beispielsweise über eine Detektion des Stroms I(t) und einer dem Strom zugeordneten Spannung mittels einer geeigneten Messeinheit erfolgen. Dabei kann die Spannung einer über dem Widerstand abfallenden Spannung U_R, einer an dem Eingang der elektrochemischen Last anliegenden Spannung Uc, einer Spannung U_Q der DC-Quelle oder einer Kombination dieser Spannungen entsprechen. Durch entsprechend zeitaufgelöst detektierte Werte von Strom und/oder Spannung kann die akkumulierte Verlustenergie ΔE_R des Vorladewiderstandes hinreichend genau bestimmt werden. Unter Kenntnis der in dem jeweiligen aktiven Zeitfenster von dem Vorladewiderstand dissipativ umgesetzten Verlustenergie ΔE_R und Vergleich mit einem vordefiniertem Schwellwert kann die erste Zeitdauer Δt₁ des jeweiligen aktiven Zeitfensters in Abhängigkeit der sich in dem aktiven Zeitfenster akkumulierenden Verlustenergie ΔE_R des Vorladewiderstandes begrenzt werden. Zusätzlich kann auch die zweite Zeitdauer Δt₂ eines sich an das aktive Zeitfenster anschließenden inaktiven Zeitfensters in Abhängigkeit der akkumulierten Verlustenergie des Vorladewiderstandes in dem jeweilig vorangegangenen aktiven Zeitfenster gewählt werden. Indem die zweite Zeitdauer Δt₂ des inaktiven Zeitfensters in Abhängigkeit der Verlustenergie ΔE_R des jeweils vorangegangenen aktiven Zeitfenster gewählt wird, bedeuten gleiche Verlustenergien ΔE_R der aktiven Zeitfenster auch gleiche zweite Zeitdauern Δt₂ der inaktiven Zeitfenster. Das Verfahren kann also so durchgeführt werden, dass ein während der Vorladung für alle aktiven Zeitfenster gültiger Wert der Verlustenergie ΔE_R vorgegeben wird. Aus dem Wert der Verlustenergie ΔE_R ergeben sich mittels der Detektion von Strom- und Spannungswerten innerhalb der aktiven Zeitfenster erste Zeitdauern Δt₁ der aktiven Zeitfenster. Die zweiten Zeitdauern Δt₂ ergeben sich aus der entsprechenden Verlustenergie ΔE_R des jeweils vorangegangenen aktiven Zeitfensters und sind hier ebenfalls konstant. Konkret ist es möglich, beispielsweise im Rahmen von einmalig durchzuführenden Labormessungen an dem Vorladewiderstand und/oder den vom Strom ebenfalls durchflossenen Halbleiterkomponenten, eine Tabelle von einzelnen Verlustenergien des Vorladewiderstandes ΔE_R und den bei den jeweiligen Verlustenergien ΔE_R einzuhaltenden Abkühlzeiten zu erzeugen. Die einmalig erzeugte Tabelle kann dann während des Verfahrens genutzt werden. Konkret können die ersten Zeitdauern Δt₁ der aktiven Zeitfenster mittels der Strom- und/oder Spannungsmessungen rechtzeitig begrenzt werden und/oder andererseits die zweiten Zeitdauern Δt₂ der inaktiven Zeitfenster abhängig von den Verlustenergien ΔE_R der vorangegangenen aktiven Zeitfenster gewählt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann der weitere Trennschalter bei einem Erreichen oder Unterschreiten eines Schwellwertes für den Spannungsabfall U_R über dem Vorladewiderstand geschlossen werden. Mit dem Schließen des weiteren Trennschalters wird die Reihenschaltung des Vorladewiderstandes und des Trennschalters niederohmig überbrückt. Der Strom kommutiert vollständig auf den geschlossenen weiteren Trennschalter. Zusätzlich kann sich eine stufenartige Erhöhung des Stroms ergeben, da der Vorladewiderstand nicht mehr als Strombegrenzung wirkt. Indem der weitere Trennschalter nun erst bei Erreichen oder Unterschreiten des Schwellwertes für den Spannungsabfall über dem Vorladewiderstand geschlossen wird, wird die stufenartige Erhöhung des Stroms auf einen tolerierbaren Wert imitiert. Der tolerierbare Wert ist so gewählt, dass ein unerwünschtes Abschalten der elektrochemischen Last durch ein der Last zugeordnetes Sicherheitssystem, beispielsweise eines Drucküberwachungssystems eines Elektrolyseurs, sicher unterdrückt wird. Das Schließen des weiteren Trennschalters kann schon während dem ersten aktiven Zeitfenster und gegebenenfalls vor dem Erreichen der dem aktiven Zeitfenster zugeordneten Verlustenergie ΔE_R für den Vorladewiderstand erfolgen. Dies ist dann der Fall, wenn der Spannungsabfall schon innerhalb des ersten aktiven Zeitfensters den vorgegebenen Schwellwert erreicht oder unterschreitet. Das Schließen des weiteren Trennschalters kann jedoch auch erst in einem späteren der aktiven Zeitfenster, prinzipiell auch innerhalb eines inaktiven Zeitfensters erfolgen.
Prinzipiell ist es möglich, dass der Strom I(t) in den aktiven Zeitfenstern mit fortschreitendem Vorladezustand der elektrochemischen Last abnimmt. Dies ist dann der Fall, wenn eine ansteigende Spannung Uc der sich aufladenden elektrochemischen Last und einem damit verbundenen Spannungsabfall U_R über dem Vorladewiderstand nicht weiter entgegengewirkt wird. In diesem Fall können Werte der ersten Zeitdauer Δt₁ der aktiven Zeitfenster mit fortschreitendem Vorladezustand der elektrochemischen Last zunehmen. Gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens kann jedoch ein zeitlich abnehmender Spannungsabfall über der Reihenschaltung des Trennschalters und des Vorladewiderstandes durch eine temporäre Vergrößerung der Spannung U_Q der DC-Quelle zumindest teilweise kompensiert werden. Dies ist bei einem als DC-Quelle operierenden, eingangsseitig an ein AC-Netz angeschlossen aktiv gesteuerten Gleichrichter, beispielsweise durch eine entsprechende Taktung von Halbleiterschaltern einer Brückenschaltung des Gleichrichters möglich. Auf diese Weise lässt sich die erste Zeitdauer Δt₁ der aktiven Zeitfenster, die zum Erreichen oder Unterschreiten der Verlustenergie ΔE_R innerhalb des jeweiligen aktiven Zeitfensters erforderlich ist, relativ zu einem Wert, der bei konstanter Spannung der DC-Quelle U_Q zum Erreichen oder Unterschreiten der Verlustenergie ΔE_R erforderlich wäre, reduzieren. Resultierend daraus kann auch die Dauer der Vorladung insgesamt reduziert werden. Die temporäre Vergrößerung der Spannung U_Q der DC-Quelle kann prinzipiell zu jedem Zeitpunkt während der Vorladung, vorteilhafterweise jedoch während der inaktiven Zeitfenster erfolgen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens sind Werte der Verlustenergie ΔE_R , gegebenenfalls auch Werte der Spannung U_Q der DC-Quelle so gewählt, dass zusammen mit den daraus resultierenden Werten der ersten Zeitdauern Δt₁ und der zweiten Zeitdauern Δt₂ eine während des Vorladens der elektrochemischen Last auftretende mittlere Leistung <P_vor> oberhalb der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes liegt. Dabei ist die mittlere Verlustleistung im Rahmen der Anmeldung gemäß $< P_{v o r} > = \frac{\sum_{i = 1}^{n} Δ E_{R, i}}{Δ t_{V o r l a d u n g}}$
zu verstehen, wobei im Zähler der Gleichung über die Verlustenergien ΔE_R,i der aktiven Zeitfenster summiert wird, während der Nenner der Gleichung einer effektiven Zeitdauer Δt_Vorladung der Vorladung entspricht. Dabei entspricht die effektive Zeitdauer der Vorladung derjenigen Zeitdauer, die zwischen dem ersten Schließen des Trennschalters und dem Schließen des weiteren Trennschalters der Vorladeschaltung vergeht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die elektrochemische Last eine oder mehrere elektrochemische Doppelschichtkapazitäten beinhalten. Insbesondere kann die elektrochemische Last über eine wiederaufladbare Batterie und/oder einen Elektrolyseur gebildet werden.
Eine erfindungsgemäße Vorladeschaltung dient zum Vorladen einer elektrochemischen Last aus einer DC-Quelle und umfasst einen Eingang mit zwei Eingangsanschlüssen zur Verbindung der Vorladeschaltung mit der DC-Quelle und einen Ausgang mit zwei Ausgangsanschlüssen zur Verbindung der Vorladeschaltung mit der elektrochemischen Last. Dabei ist einer der Eingangsanschlüsse über eine Serienschaltung eines Vorladewiderstandes und eines Trennschalters mit einem korrespondierendem der Ausgangsanschlüsse verbunden. Der Vorladewiderstand weist eine für einen kontinuierlichen Leistungsfluss ausgelegte Nominalleistung P_nom auf. Die Vorladeschaltung weist zudem einen weiteren Trennschalter auf, der parallel zu dem Vorladewiderstand oder parallel zu der Serienschaltung aus Trennschalter und Vorladewiderstand verschaltet ist. Zusätzlich umfasst die Vorladeschaltung eine Messeinheit zur Bestimmung einer Verlustleistung P_R(t) und einer der Verlustleistung P_R(t) zugeordneten Verlustenergie ΔE_R für den Vorladewiderstand, sowie eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Vorladeschaltung, insbesondere deren Trennschalters und deren weiteren Trennschalters. Die Vorladeschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit ausgelegt und eingerichtet ist, die Vorladeschaltung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren aufgeführten Vorteile.
Die Messeinheit der Vorladeschaltung kann ausgelegt sein, einen Strom durch den Vorladewiderstand zu detektieren. Sie kann zudem ausgelegt sein, eine Spannung Uc am Ausgang der Vorladeschaltung, eine Spannung U_Q am Eingang der Vorladeschaltung, eine über dem Vorladewiderstand abfallende Spannung U_R oder eine Kombination dieser Spannungen zu detektieren. Der Trennschalter und/oder der weitere Trennschalter können jeweils durch einen steuerbaren Halbleiterschalter gebildet werden. Vorteilhafterweise wird jedoch zumindest der weitere Trennschalter, gegebenenfalls auch der Trennschalter durch einen elektromechanischen Trennschalter gebildet.
Ein erfindungsgemäßer Gleichrichter ist ein aktiv gesteuerter Gleichrichter mit:

- einem Eingang mit mehreren Eingangsanschlüssen zur Verbindung des Gleichrichters mit einem Wechselspannungs (AC) - Netz,
- einem Ausgang mit zwei Ausgangsanschlüssen zur Verbindung des Gleichrichters mit der elektrochemischen Last, und
- einem AC/DC-Wandler, der eine Transistoren und/oder Freilaufdioden umfassende Brückenschaltung aufweist, und
- einer Steuerungseinheit zur Steuerung des AC/DC-Wandlers. Als kennzeichnendes Merkmal weist der erfindungsgemäße Gleichrichter eine erfindungsgemäße Vorladeschaltung auf. Auch hier ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren aufgeführten Vorteile.

Die Steuerungseinheit der Vorladeschaltung kann als separate Steuerungseinheit in dem Gleichrichter vorliegen. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Steuerungseinheit der Vorladeschaltung in die Steuerungseinheit des Gleichrichters integriert ist. Gemäß einer Ausführungsform des Gleichrichters kann die Vorladeschaltung zwischen der Brückenschaltung und dem Ausgang des Gleichrichters angeordnet sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen

1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorladeschaltung;
2 schematische Zeitverläufe verschiedener Parameter während einem Vorladen der elektrochemischen Last gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorladeschaltung aus 1;
3 ein erfindungsgemäßer aktiv gesteuerter Gleichrichter innerhalb einer Elektrolyseanlage.

Figurenbeschreibung
In 1 ist eine Ausführungsform einer Vorladeschaltung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Vorladeschaltung 1 weist einen Eingang 5 mit zwei Eingangsanschlüssen 5.1, 5.2, sowie einen Ausgang 6 mit zwei Ausgangsanschlüssen 6.1, 6.2 auf. An den Eingang 5 ist eine DC-Quelle 10, an den Ausgang 6 eine elektrochemische Last 11 angeschlossen. Das elektrische Verhalten der elektrochemischen Last 11, das einer Kombination aus kapazitivem und ohmschem Verhalten entspricht, ist schematisch über einen Kondensator und einen Widerstand in der elektrochemischen Last 11 illustriert. Ein Eingangsanschluss 5.1 der Vorladeschaltung 1 ist über eine Reihenschaltung eines Trennschalters 3 und eines Vorladewiderstandes 2 mit einem korrespondierenden Ausgangsanschluss 6.1 verbunden. Parallel zu der Reihenschaltung aus Trennschalter 3 und Vorladewiderstand 2 ist ein weiterer Trennschalter 4 angeordnet. Beide Trennschalter 3, 4 sind in 1 exemplarisch als elektromechanische Trennschalter dargestellt. Alternativ ist es jedoch möglich, dass der Trennschalter 3 und/oder der weitere Trennschalter 4 aus einem Halbleiterschalter gebildet werden. Alternativ zum in 1 dargestellten Fall ist es zudem möglich, dass der weitere Trennschalter 4 lediglich parallel zu dem Vorladewiderstand 2 verschaltet ist. Die Vorladeschaltung 1 weist weiterhin eine Steuerungseinheit 7 zur Steuerung des Trennschalters 3, sowie des weiteren Trennschalters 4 auf. Zudem enthält sie eine Messeinheit 8 zur Messung eines durch den Vorladewiderstand 2 und über den Ausgang 6 der Vorladeschaltung 1 fließenden Stroms I(t), sowie einer an dem Ausgang 6 der Vorladeschaltung 1 - und gleichzeitig an der elektrochemischen Last 11 - anliegenden Spannung Uc(t). Die Messeinheit 8 kann alternativ oder kumulativ zu der am Ausgang 6 anliegenden Spannung weitere Spannungen detektieren. Konkret ist es möglich, dass sie eine am Eingang 5 anliegende Spannung U_Q(t) und/oder eine über den Vorladewiderstand 2 abfallende Spannung U_R(t) detektiert. Die Messeinheit 8 kann optional mit einem Temperatursensor 9.3 zur Bestimmung einer Temperatur des Vorladewiderstandes 2 verbunden sein. Auf diese Weise kann eine Überhitzung des Widerstandes nochmals direkt erfasst und darauf, beispielsweise durch sofortige Unterbrechung des Stroms I(t), reagiert werden.
Die Vorladeschaltung 1 ist mittels der Steuerungseinheit 7 ausgelegt und eingerichtet, einen über den Vorladewiderstand 2 fließenden Strom I(t) zwischen der DC-Quelle 10 und der elektrochemischen Last 11 zu ermöglichen und damit die elektrochemische Last 11 vorzuladen. Die Vorladeschaltung ist zudem ausgelegt, die elektrochemischen Last 11 mittels des weiteren Trennschalters 4 bedarfsweise niederohmig mit der DC-Quelle 10 zu verbinden, um die elektrochemische Last 11 in ihrem ohmschen Bereich zu betreiben. Der Betrieb der Vorladeschaltung 1 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Verbindung mit der Beschreibung der 2 detaillierter erläutert.
In 2 sind Diagramme von Zeitverläufen verschiedener elektrischer Parameter während der Vorladung der elektrochemischen Last 11 mittels der Vorladeschaltung 1 aus 1 gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei den Parametern handelt es sich im Einzelnen um:

- eine von dem Vorladewiderstand 2 verbrauchte Verlustleistung P_R(t) (oberes Diagramm in 2),
- einen während der Vorladung der elektrochemischen Last 11 von der Messeinheit 8 detektierten Strom I(t) (mittleres Diagramm in 2) und
- einer am Ausgang 6 sowie an der mit dem Ausgang 6 verbundenen elektrochemischen Last 11 herrschenden Spannung Uc(t) (unteres Diagramm in 2).

Während der Vorladung der elektrochemischen Last 11 ist der weitere Trennschalter 4 der Vorladeschaltung 1 geöffnet. Durch ein alternierendes Öffnen und Schließen des Trennschalters 3, welches von der Steuerungseinheit 7 gesteuert wird, stellt die Vorladeschaltung 1 in Verbindung mit der DC-Quelle 10 einen diskontinuierlichen Strom I(t) gemäß Stromverlauf 24, und somit einen diskontinuierlichen Leistungsfluss P(t) zwischen der DC-Quelle 10 und der elektrochemischen Last 11 bereit. Bei dem diskontinuierlichen Strom I(t) wechseln sich in alternierender Weise aktive Zeitfenster 21 der Zeitdauer Δt₁ mit ermöglichtem, d.h. von 0 A verschiedenem Strom I(t) und inaktive Zeitfenstern 22 der Zeitdauer Δt₂ mit einem vollständig unterdrückten Strom I(t) = 0 A ab. Während jedem der aktiven Zeitfenster 21 wird mittels der detektierten Werte von Strom I(t) und Spannung Uc(t) gemäß Stromverlauf 24 und Spannungsverlauf 25, sowie gegebenenfalls weiterer detektierter Spannungen, wie z.B. der über dem Vorladewiderstand 2 abfallenden Spannung U_R(t), die von dem Vorladewiderstand 2 verbrauchte Leistung P_R(t) gemäß Leistungsverlauf 23 bestimmt. Durch numerische Integration der verbrauchten Leistung P_R(t) ergibt sich die von dem Vorladewiderstand 2 während des jeweiligen aktiven Zeitfensters 21 verbrauchte Verlustenergie ΔE_R . Die Verlustenergie ΔE_R ist in 2 durch die gestrichelte Fläche unterhalb des Leistungsverlaufs 23 illustriert. Mit zunehmendem Zeitabstand vom Beginn des jeweiligen aktiven Zeitfensters 21 wächst die in dem aktiven Zeitfenster 21 verbrauchte Verlustenergie ΔE_R . Erreicht oder übersteigt die Verlustenergie ΔE_R einen vordefinierten Schwellwert, so wird der Strom I(t) durch das Öffnen des Trennschalters 3 unterbrochen. In dem nachfolgenden inaktiven Zeitfenster 22 erfolgt ein Abkühlen des Vorladewiderstand 2, bis sich das nächste aktive Zeitfenster 21 durch wiederholtes Schließen des Trennschalters 3 anschließt. Zusätzlich wird in dem inaktiven Zeitfenster 22 die Spannung U_Q der DC-Quelle 10 etwas angehoben, um einen verringerten Spannungsabfall U_R über dem Vorladewiderstand 2 entgegenzuwirken und die Vorladung möglichst rasch abzuschließen. Die Verringerung des Spannungsabfalls U_R entsteht durch die Bildung der kapazitiven Doppelschicht in der elektrochemischen Last 11 aufgrund des fortschreitenden Vorladens, die eine Gegenspannung für die DC-Quelle 10 erzeugt.
Das folgende aktiven Zeitfenster 21 startet mit einem relativ zum Ende des vorangegangenen aktiven Zeitfensters 21 vergrößerten Strom I₂. Analog zum vorangegangenen aktiven Zeitfenster 21 wird wieder eine von dem Vorladewiderstand 2 verbrauchte Verlustenergie ΔE_R bestimmt, und mit dem vordefinierten Schwellwert für das jeweilige aktive Zeitfenster 21 verglichen. Exemplarisch sind in 2 die Schwellwerte der Verlustenergie für jedes aktive Zeitfenster 21 gleichgroß gewählt. Wird der vordefinierte Schwellwert erreicht oder überschritten, so erfolgt ein Öffnen des Trennschalters 3, wodurch sich das nächste inaktive Zeitfenster 22 anschließt.
Der alternierende Wechsel von aktiven Zeitfenstern 21 und inaktiven Zeitfenstern 22 erfolgt so lange, bis eine über dem Vorladewiderstand 2 abfallende Spannung U_R einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder unterschreitet. In diesem Fall wird der weitere Trennschalter 4 geschlossen und der erste Eingangsanschluss 5.1 niederohmig mit dem korrespondierenden ersten Ausgangsanschluss 6.1 verbunden. Die Vorladung der elektrochemischen Last 11 ist beendet und sie wird danach - gesteuert über die Spannung U_Q der DC-Quelle 10 - in ihrem ohmschen Bereich betrieben.
In dem Zeitverlauf der Verlustleistung P_R(t) ist zusätzlich eine Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes 2 illustriert. Exemplarisch befindet sich die Kurve der Verlustleistung PR(t) in jedem der aktiven Zeitfenster 21 während der gesamten ersten Zeitdauer Δt₁ der aktiven Zeitfenster 21 oberhalb der auf einen Dauerbetrieb ausgelegten Nominalleistung P_nom. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kurve der Verlustleistung P_R(t) in einem oder mehreren der aktiven Zeitfenster 21 nur in einem Bereich der ersten Zeitdauer Δt₁ oberhalb, und sich in dem verbleibenden Zeitbereich bis zum Ablauf der ersten Zeitdauer Δt₁ unterhalb der Nominalleistung P_nom befindet. Ebenso ist die in 2 gezeigte Anzahl der aktiven Zeitfenster 21 und inaktiven Zeitfenster 22 rein exemplarisch zu verstehen. So kann das Schließen des weiteren Trennschalters 4 prinzipiell auch schon innerhalb des ersten aktiven Zeitfensters 21 erfolgen, sofern die über dem Vorladewiderstand 2 abfallende Spannung U_R den vorgegebenen Schwellwert erreicht oder unterschreitet. In diesem Fall ist lediglich ein aktives Zeitfenster vorhanden, dessen erste Zeitdauer Δt₁ über ein Schließen des weiteren Trennschalters 4 begrenzt wird.
In 3 ist ein erfindungsgemäßer Gleichrichter 32 gemäß einer Ausführungsform innerhalb einer Elektrolyseanlage 45 dargestellt. Die Elektrolyseanlage 45 beinhaltet einen Transformator 31, den aktiv gesteuerten Gleichrichter 32 und einen Elektrolyseur 40 als elektrochemische Last 11. Der Gleichrichter 32 ist mit seinem Eingang 33 über den Transformator 31 mit einem AC-Netz 30 verbunden. Über den Transformator 31 wird eine Amplitude Û_AC des AC-Netzes 30 auf eine an dem Eingang 33 anliegende Amplitude Û₁ transformiert. Zusätzlich ist der Gleichrichter 32 an seinem Ausgang 38 mit einem Eingang 41 des Elektrolyseurs 42 verbunden und konfiguriert, den Elektrolyseur 40 über eine gleichgerichtete an dem Ausgang 38 anliegende Spannung Uc zu betreiben. Das Betreiben der elektrochemischen Last 11 beinhaltet die Vorladung bei vorwiegend kapazitivem Verhalten der elektrochemischen Last 11, wie auch das stationäre und/oder dynamische Betreiben bei vorwiegend ohmschem Verhalten der elektrochemischen Last 11. Hierzu weist der Gleichrichter 32 eine AC-Trenneinheit 34, eine Filtereinheit 35, einen AC/DC-Wandler 36 mit einer am Ausgang des AC/DC-Wandlers 36 wirksamen Ausgangskapazität 37 und eine Steuerungseinheit 39 zur Steuerung des Gleichrichters 32, insbesondere der AC-Trenneinheit 34 und des AC/DC-Wandlers 36 auf. Der Gleichrichter 32 umfasst zudem eine Vorladeschaltung 1, deren Eingang 5 mit dem Ausgang des AC/DC-Wandlers 36 bzw. mit der dort angeordneten Ausgangskapazität 37, und deren Ausgang 6 mit dem Ausgang 38 des Gleichrichters 32 verbunden ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 3 nur einige Komponenten der Vorladeschaltung 1 illustriert. Die Steuerungseinheit 7 der Vorladeschaltung 1 ist exemplarisch in die Steuerungseinheit 39 des Gleichrichters 32 integriert. Auf diese Weise ist die Steuerungseinheit 39 des Gleichrichters ebenfalls in der Lage, die Vorladeschaltung 1 zu steuern. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass beide Steuerungseinheiten 7, 39 getrennt voneinander vorliegen, gegebenenfalls jedoch kommunikativ miteinander verbunden sind.
Exemplarisch ist der Gleichrichter 32, der Transformator 31 wie auch das AC-Netz 30 in 3 jeweils in einer dreiphasigen Ausführungsform dargestellt. Erfindungsgemäß ist es jedoch ebenfalls möglich, dass die genannten Komponenten eine andere Phasenanzahl aufweisen, und insbesondere einphasig, zweiphasig oder vierphasig ausgeführt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Vorladeschaltung
2: Vorladewiderstand
3: Trennschalter
4: Trennschalter
5: Eingang
5.1, 5.2: Eingangsanschluss
6: Ausgang
6.1, 6.2: Ausgangsanschluss
7: Steuerungseinheit
8: Messeinheit
9.1: Stromsensor
9.2: Spannungssensor
9.3: Temperatursensor
10: DC-Quelle
11: elektrochemische Last
21, 22: Zeitfenster
23: Leistungsverlauf
24: Stromverlauf
25: Spannungsverlauf
30: Wechselspannungsnetz, AC - Netz
31: Transformator
32: Gleichrichter
33: Eingang (des Gleichrichters)
34: AC-Trenneinheit
35: Filter
36: AC/DC-Wandler
37: Zwischenkreis-Kapazität
38: Ausgang (des Gleichrichters)
39: Steuerungseinheit (des Gleichrichters)
40: Elektrolyseur
41: Eingang (des Elektrolyseurs)
45: Elektrolyseanlage
UC, UQ: Spannung
ÛAC, Û1: Amplitude
PR(t): Verlustleistung
ΔER: Verlustenergie
Δt1, Δt2: Zeitdauer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010061537 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Vorladen einer elektrochemischen Last (11) über eine Vorladeschaltung (1), die zwischen einer DC-Quelle (10) und der elektrochemischen Last (11) angeordnet ist, wobei die Vorladeschaltung (1) eine Reihenschaltung aus einem Vorladewiderstand (2) und einem Trennschalter (3) aufweist, wobei der Vorladewiderstand (2) eine für einen kontinuierlichen Leistungsfluss ausgelegte Nominalleistung P_nom aufweist, mit den Schritten: - Schließen des Trennschalters (3), wodurch ein Beginn eines aktiven Zeitfensters (21) definiert wird, - Vorladen der elektrochemischen Last (11) in dem aktiven Zeitfenster (21) durch einen von der DC-Quelle (10) über den Vorladewiderstand (2) fließenden Strom I(t), wobei der Strom I(t) eine Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand (2) erzeugt, die oberhalb der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes (2) liegt, - wobei der durch den Vorladewiderstand (2) fließende Strom I(t) außerhalb des aktiven Zeitfensters zumindest weitgehend unterdrückt wird und wobei ein Ende des aktiven Zeitfenster zu einem Zeitpunkt definiert wird, zu dem eine innerhalb des aktiven Zeitfensters (21) über die Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand (2) akkumulierte Verlustenergie ΔE_R einen vordefinierten Schwellwert erreicht oder überschreitet..
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorladung mit einem von der DC-Quelle (10) mittels der Vorladeschaltung (1) bereitgestellten Strom I(t) erfolgt, bei dem sich mehrere aktive Zeitfenster (21) mit einem eine oberhalb der Nominalleistung P_nom liegende Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand (2) erzeugenden Strom I(t) jeweils mit einem inaktiven Zeitfenster (22) mit zumindest weitgehend unterdrücktem Strom I(t) in alternierender Weise abwechseln, wobei jedes der aktiven Zeitfenster (21) die Schritte aufweist: - Bestimmung der Verlustenergie ΔE_R, die seit Beginn des aktiven Zeitfensters (21) über die Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand (2) akkumuliert wird, - Vergleich der bestimmten Verlustenergie ΔE_R mit einem vordefinierten Schwellwert, - Unterdrücken des Stroms I(t) durch den Vorladewiderstand (2) und Beenden des aktiven Zeitfensters (21) in Abhängigkeit des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strom I(t) durch den Vorladewiderstand (2) in jedem der inaktiven Zeitfenster (22) vollständig unterdrückt wird, so dass ein diskontinuierlicher Strom I(t) durch den Vorladewiderstand (2) resultiert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Vorladeschaltung (1) einen weiteren Trennschalter (4) umfasst, der parallel zu dem Vorladewiderstand (2) oder parallel zu der Reihenschaltung aus Vorladewiderstand (2) und Trennschalter (3) angeordnet ist, und wobei der Strom I(t) durch den Vorladewiderstand (2) bei geöffnetem weiteren Trennschalter (4) in Abhängigkeit des Vergleiches der bestimmten Verlustenergie ΔE_R mit dem vordefinierten Schwellwert durch ein Öffnen des Trennschalters (3) vollständig unterdrückt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verlustleistung P_R(t) an dem Vorladewiderstand (2) um zumindest das 10-fache, bevorzugterweise um zumindest das 20-fache, besonders bevorzugt um zumindest das 50-fache oberhalb der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes (2) liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die aktiven Zeitfenster (21) eine erste Zeitdauer Δt₁ andauern, wobei die erste Zeitdauer Δt₁ mit fortschreitendem Vorladezustand der elektrochemischen Last (11) zunimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Last (11) eine oder mehrere elektrochemische Doppelschichtkapazitäten beinhaltet, insbesondere über eine wiederaufladbare Batterie und/oder einen Elektrolyseur (40) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zweite Zeitdauer Δt₂ eines der inaktiven Zeitfenster (21), gegebenenfalls aller inaktiven Zeitfenster (21), in Abhängigkeit der sich in dem vorangegangenen aktiven Zeitfenster (21) akkumulierten Verlustenergie ΔE_R gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine während des Vorladens der elektrochemischen Last (11) auftretende mittlere Leistung <P_vor> oberhalb der Nominalleistung P_nom des Vorladewiderstandes (2) liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorladeschaltung (1) einen weiteren Trennschalter (4) umfasst, der parallel zu dem Vorladewiderstand (2) oder parallel zu der Reihenschaltung aus Vorladewiderstand (2) und Trennschalter (3) angeordnet ist, und wobei zusätzlich eine Bestimmung des Spannungsabfalls U_R über dem Vorladewiderstand (2) erfolgt, und wobei der weitere Trennschalter (4) bei einem Erreichen oder Unterschreiten eines Schwellwertes für den Spannungsabfall U_R über dem Vorladewiderstand (2) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein zeitlich abnehmender Spannungsabfall über der Reihenschaltung des Trennschalters (3) und des Vorladewiderstandes (2) durch eine temporäre Vergrößerung der Spannung U_Q der DC-Quelle (10) zumindest teilweise kompensiert wird.
Vorladeschaltung (1) zum Vorladen einer elektrochemischen Last (11) aus einer DC-Quelle (10) umfassend: - einen Eingang (5) mit zwei Eingangsanschlüssen (5.1, 5.2) zur Verbindung der Vorladeschaltung (1) mit der DC-Quelle (10) und einen Ausgang (6) mit zwei Ausgangsanschlüssen (6.1, 6.2) zur Verbindung der Vorladeschaltung (1) mit der elektrochemischen Last (11), - eine Serienschaltung aus einem Vorladewiderstand (2) und einem Trennschalter (3), die einen der Eingangsanschlüsse (5.1, 5.2) mit einem korrespondierenden der Ausgangsanschlüsse (6.1, 6.2) verbindet, wobei der Vorladewiderstand (2) eine für einen kontinuierlichen Leistungsfluss ausgelegte Nominalleistung P_nom aufweist, - einen weiteren Trennschalter (4), der parallel zu dem Vorladewiderstand (2) oder parallel zu der Serienschaltung aus Vorladewiderstand (2) und Trennschalter (3) angeordnet ist, - eine Messeinheit (8) zur Bestimmung einer Verlustleistung P_R(t) und einer der Verlustleistung P_R(t) zugeordneten Verlustenergie ΔE_R für den Vorladewiderstand (2), und - eine Steuerungseinheit (7) zur Steuerung der Vorladeschaltung (1), insbesondere deren Trennschalters (3) und deren weiteren Trennschalters (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) ausgelegt und eingerichtet ist, die Vorladeschaltung (1) gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche zu betreiben.
Aktiv gesteuerter Gleichrichter (32), umfassend: - einen Eingang (33) mit mehreren Eingangsanschlüssen zur Verbindung des Gleichrichters (32) mit einem Wechselspannungs (AC) - Netz (30) - einen Ausgang (38) mit zwei Ausgangsanschlüssen zur Verbindung des Gleichrichters (32) mit der elektrochemischen Last (11), - einen AC/DC-Wandler (36), der eine Transistoren und/oder Freilaufdioden umfassende Brückenschaltung aufweist, - eine Steuerungseinheit (39) zur Steuerung des AC/DC-Wandlers (36), dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (32) eine Vorladeschaltung (1) nach Anspruch 12 aufweist.
Aktiv gesteuerter Gleichrichter (32) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (1) zwischen der Brückenschaltung und dem Ausgang (38) des Gleichrichters (32) angeordnet ist.