DE102021108918A1

DE102021108918A1 - Bidirektionaler Stromrichter

Info

Publication number: DE102021108918A1
Application number: DE102021108918.2A
Authority: DE
Inventors: Mahendra Ghat; Mahadeo Unade
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Ein bidirektionaler Stromwandler (200B), eine Ladevorrichtung (200A) und ein Verfahren (600) zur Übertragung von Strom zwischen einem Elektrofahrzeug (106) und einem Stromnetz werden bereitgestellt. Der bidirektionale Stromrichter (200B) umfasst einen isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (102C) mit einer ersten Stufe (201), die eine Gleichspannung (V1) in Hochfrequenz-Wechselspannungen (V1ac1, V1ac2) umwandelt, einer zweiten Stufe (204), die als Drei-Zweig-Wandler konfiguriert ist, der in der Lage ist, selektiv Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2ac1, V2ac2), die jeweils eine Amplitude V haben, in die Gleichspannung (Vdc) mit einer Amplitude von V, 2V oder 4V umzuwandeln, und die Gleichspannung (Vdc) zurück in die Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2ac1, V2ac2) umzuwandeln, und eine Zwischenstufe (203), die elektrisch mit der ersten und der zweiten Stufe (201, 204) gekoppelt ist, mit Hochfrequenztransformatoren (T1, T2).

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Stromrichter. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen bidirektionalen Leistungswandler, der für die Gleichstrom-Schnellladung von Elektrofahrzeugen (EVs) eingesetzt werden kann.
Elektrofahrzeuge werden weltweit als Alternative zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor eingesetzt. Daher entsteht eine wachsende Nachfrage nach der Entwicklung von Ladeinfrastruktur für das schnelle Aufladen dieser E-Fahrzeuge. Eine der Methoden zum Schnellladen ist ein Gleichstrom-Schnellladegerät. 1A zeigt ein Blockdiagramm eines Gleichstrom-Ladegeräts 100, das nach dem Stand der Technik zum Laden von Elektrofahrzeugen 106 eingesetzt wird. Das Gleichstromladegerät 100 umfasst ein Niederspannungs-Eingangsmodul 101, ein leistungselektronisches Modul 102, das auch als Leistungswandler 102 bezeichnet wird, und ein Ausgangsmodul 103, die elektrisch miteinander verbunden sind, wie in 1A dargestellt. Das Niederspannungs-Eingangsmodul verfügt über eine dreiphasige Wechselspannungsversorgung Vac aus dem Stromnetz 101A und eine eingangsseitige Schutzeinheit 101B. Der Leistungswandler 102 hat einen Eingangsfilter 102A, einen dreiphasigen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 102B, z. B. einen dreiphasigen Pulsweitenmodulations-Wandler (PWM), und einen isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 102C, die elektrisch miteinander verbunden sind. Das Ausgangsmodul 103 ist eine Ausgangsschutzeinheit, die an ihrem Ausgang eine Gleichspannung bereitstellt, die von einem Elektrofahrzeug 106 zum schnellen Gleichstromladen verwendet wird. Das Gleichstromladegerät 100 umfasst auch ein Steuermodul 104 mit einem oder mehreren Steuergeräten 104A, 104B. Das Reglermodul 104 ist elektrisch mit dem Stromrichter 102 gekoppelt, um den dreiphasigen Pulsweiten-Modulation-Wandler (PWM) 102B und den isolierten DC-DC-Wandler 102C zu steuern.
Das Gleichstrom-Ladegerät 100 umfasst auch ein Softwaremodul 105 mit einer Benutzerschnittstelle 105A, wie z. B. einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), die elektrisch mit einem Kommunikationscontrollermodul 105B gekoppelt ist, das wiederum mit tragbaren elektronischen Geräten 105C, wie z. B. Mobiltelefonen, einem Cloud-Kommunikationsnetzwerk 105D und/oder einem vom Stromnetz 101A betriebenen Benutzergerät 105E kommuniziert. Das Kommunikationssteuerungsmodul 105B kommuniziert auch mit dem EV 106.
Die an das EV 106 gelieferte Ausgangsgleichspannung sollte der Batteriespannung des zu ladenden EV 106 entsprechen. In der Regel variieren die Batteriekapazität und der Spannungsbedarf eines Fahrzeugs 106 in Abhängigkeit von der Reichweite des Fahrzeugs, d. h. der Entfernung, die das Fahrzeug 106 mit einer vollen Batterieladung zurücklegen kann. Fahrzeuge mit geringer Reichweite haben beispielsweise eine Batteriespannung von etwa 150 V, während Fahrzeuge mit großer Reichweite oder schwere Fahrzeuge wie E-LKWs und E-Busse eine Batteriespannung von etwa 1500 V benötigen. Daher sollte die Gleichstrom-Ausgangsspannung des Gleichstrom-Ladegeräts 100 zum Aufladen verschiedener Typen von Elektrofahrzeugen 106 einen weiten Bereich von etwa 150 V bis etwa 1500 V aufweisen und gleichzeitig eine hohe Leistung über den gesamten Bereich gewährleisten.
1B-1C zeigen ein elektrisches Schaltbild des Stromrichters 102 des in 1A dargestellten Gleichstrom-Ladegeräts 100 gemäß dem Stand der Technik. Der Leistungswandler 102 empfängt einen dreiphasigen Wechselstromeingang Vac von dem in 1A dargestellten Eingangsmodul 101, der dann seinem dreiphasigen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlermodul 102B zugeführt wird, das eine Ausgangsgleichspannung V1 liefert, die wiederum als Eingang für den isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 102C bereitgestellt wird. Der isolierte Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 102C umfasst in der Regel zwei Leistungsumwandlungsstufen, nämlich eine erste Stufe 201, die Gleichstrom in Hochfrequenz-Wechselstrom umwandelt, und eine zweite Stufe 202, die Hochfrequenz-Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. In der ersten Stufe 201 wird die Gleichspannung V1 über zwei parallel geschaltete Halbbrücken- oder Vollbrückenwandler in eine Hochfrequenz-Wechselspannung der Amplitude V umgewandelt. In der zweiten Stufe 202 werden die hochfrequenten Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2, jeweils mit der Amplitude V, in eine Ausgangsgleichspannung Vdc umgewandelt. Diese beiden Stufen 201 und 202 sind durch eine Zwischenstufe 203 gekoppelt, die eine Hochfrequenzisolierung zwischen ihnen herstellt. Die Zwischenstufe 203 umfasst typischerweise einen Hochfrequenztransformator (nicht dargestellt), der zwischen der ersten Stufe 201 und der zweiten Stufe 202 angeschlossen ist.
Mit zunehmendem Leistungsbedarf wird es jedoch immer schwieriger, einen einzigen kompakten Hochfrequenztransformator für die gesamte Nennleistung herzustellen. Dieser Hochfrequenztransformator wird zur Isolierung und/oder Spannungsanpassung des DC-DC-Wandlers 102C verwendet. In solchen Fällen ist es vorzuziehen, die Gesamtleistung auf mehrere Transformatoren T1 und T2 aufzuteilen, wie in 1B und 1C dargestellt. Diese Transformatoren T1 und T2 können entweder parallel geschaltet werden, wie in 1B gezeigt, oder in Reihe, wie in 1C gezeigt, um die gewünschte Ausgangsleistung zu erhalten.
Wenn die Transformatoren T1 und T2 jedoch nur parallel geschaltet werden, erhöht sich der Gesamtausgangsstrom des Systems, und wenn die Transformatoren T1 und T2 nur in Reihe geschaltet werden, erhöht sich die Gesamtspannung des Systems. Unter Berücksichtigung eines breiten Leistungsbereichs mit konstanter Leistung besteht daher Bedarf an einem bidirektionalen Stromrichter, der die Transformatoren T1 und T2 dynamisch entweder parallel oder in Reihe schalten kann, je nach Anforderung an die Spannung des zu ladenden Elektrofahrzeugs (EV). Beispielsweise müssen die Transformatoren T1 und T2 bei den in 1A gezeigten Elektrofahrzeugen 106 mit niedriger Spannung und geringer Reichweite parallel geschaltet werden, wie z. B. bei Fahrzeugen, bei denen die Batteriespannung niedriger ist und das Fahrzeug 106 einen höheren Strom benötigt. Andererseits müssen die Transformatoren T1 und T2 in Reihe geschaltet werden, wenn es sich um ein EV 106 mit hoher Spannung und großer Reichweite handelt, wie z. B. bei E-LKWs und E-Bussen, wo die Batteriespannung höher ist.
Wie in 1B gezeigt, wird in der zweiten Stufe 202 ein generischer Doppel-Aktivbrückenwandler mit vier Schaltern S5, S6, S7 und S8 verwendet. Eine Schalttabelle für die zweite Stufe 202 ist in Tabelle 1 unten dargestellt:

Die Werte 1 und 0 symbolisieren das Einschalten des Schalters bzw. das Ausschalten des Schalters;

VAB ist die Spannung zwischen den Knoten A und B; und Vdc ist die Ausgangsgleichspannung des Stromrichters 102. Tabelle 1

VAB S5 S6 S7 S8 Vo Io

+V 1 0 0 1 +V 2I

-V 0 1 0 0 +V 2I

0 1 1 0 0 +V 2I

0 0 0 1 1 +V 2I
In ähnlicher Weise wird in der zweiten Stufe 202, wie in 1C gezeigt, ein generischer Doppel-Aktivbrückenwandler mit vier Schaltern S5, S6, S7 und S8 verwendet. Eine Schalttabelle für die zweite Stufe 202 ist in Tabelle 2 unten dargestellt:

VAB ist die Spannung zwischen den Knoten A und B; und Vdc ist die Ausgangsgleichspannung des Stromrichters 102. Tabelle 2

VAB S5 S6 S7 S8 Vo Io

+2V 1 1 0 0 1 +2V I

-2V 0 1 0 0 +2V I

0 1 1 0 0 +2V I

0 0 0 1 1 +2V I
Aus den Tabellen 1 und 2 geht hervor, dass die maximale Ausgangsgleichspannung Vdc, die der herkömmliche Stromrichter 102 des in 1A dargestellten Gleichstromladegeräts 100 liefert, gleich der Amplitude der Hochfrequenz-Wechselspannung V2_ac1 oder V2_ac2, d.h. V, ist, wenn die Transformatoren T1 und T2 parallel geschaltet sind, und der doppelten Amplitude der Hochfrequenz-Wechselspannung V2_ac1 oder V2_ac2, d.h. 2V, wenn die Transformatoren T1 und T2 in Reihe geschaltet sind.
Die Änderung der Ausgangsspannung von V auf 2V erfordert jedoch eine Umstellung der Anschlüsse der Transformatoren T1 und T2 von Parallel- auf Reihenschaltung. Außerdem müssen die Schalter S1-S8 bei Verwendung des Stromrichters 102 sowohl für den Serien- als auch für den Parallelbetrieb für eine maximale Spannung von 2V und einen maximalen Strom von 21 ausgelegt sein. Wenn wir also einen Schalter mit der Nennspannung V und dem Nennstrom I betrachten, sind insgesamt 16 Schalter erforderlich. Wenn die Ausgangsspannung auf 4V bei einer Stromstärke von 21 erhöht werden soll, sind insgesamt 32 Schalter erforderlich, und die Nennspannung der Transformatoren T1 und T2 muss auf 2V ausgelegt sein. Außerdem sind zusätzliche Vorkehrungen erforderlich, um die Transformatoren T1 und T2 in Reihe und parallel zu schalten.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Offenlegung, einen bidirektionalen Leistungswandler bereitzustellen, der einen breiten Bereich von Gleichspannungen liefert, ohne Kompromisse bei der Leistungsabgabe über den Gleichspannungsbereich einzugehen und die Anforderungen an die Anzahl der darin verwendeten Schalter zu optimieren.
Darüber hinaus ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung, eine Ladevorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die den oben erwähnten bidirektionalen Leistungswandler zur Übertragung von Energie zwischen einem Elektrofahrzeug und einem Stromnetz verwenden.
Der hier offengelegte bidirektionale Stromrichter erreicht das oben genannte Ziel dadurch, dass ein isolierter Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler des bidirektionalen Stromrichters eine zweite Stufe enthält, die in der Lage ist, hochfrequente Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 mit einer Amplitude V selektiv in eine Gleichspannung Vdc mit einer Amplitude V, 2V oder 4V umzuwandeln und die Gleichspannung Vdc in eine hochfrequente Wechselspannung Vac umzuwandeln, die in das Stromnetz zurückgespeist werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der hierin offengelegte bidirektionale Stromrichter einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, z. B. einen dreiphasigen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der eine Gleichspannung V1 aus einer von einem Wechselstromnetz empfangenen Wechselspannung Vacgrid erzeugt. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der bidirektionale Stromrichter einen Eingangsfilter, der die Wechselspannung Vacgrid filtert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung empfängt der bidirektionale Stromrichter eine Gleichspannung Vdcgrid aus einem Gleichstromnetz als Gleichspannung V1. Der bidirektionale Leistungswandler umfasst einen isolierten DC-DC-Wandler. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Gleichspannung Vdcgrid dem isolierten DC-DC-Wandler zugeführt, ohne dass eine AC-DC-Wandlung erforderlich ist.
Der isolierte DC-DC-Wandler umfasst eine erste Stufe, eine zweite Stufe und eine Zwischenstufe, die die erste Stufe mit der zweiten Stufe elektrisch verbindet. Die erste Stufe wandelt die Gleichspannung V1 in Hochfrequenz-Wechselspannungen V1_ac1 und V1_ac2 jeweils mit einer Amplitude V um und umgekehrt, d.h. in der ersten Stufe wird eine Gleichspannung V1 in die Hochfrequenz-Wechselspannungen V1_ac1 und V1_ac2 und die Hochfrequenz-Wechselspannungen V1_ac1 und V1_ac2 in die Gleichspannung V1 umgewandelt. Die hochfrequenten Wechselspannungen V1_ac1, V1_ac2 liegen an Primärseiten von Hochfrequenztransformatoren der Zwischenstufe an. Vorteilhafterweise wird die AC-DC- und die DC-AC-Wandlung in Abhängigkeit von einer Betriebsart des bidirektionalen Stromrichters gewählt, d.h. eine Leistungswandlungsbetriebsart für die AC-DC-Wandlung oder eine Leistungsinversionsbetriebsart für die DC-AC-Wandlung.
Einem Aspekt zufolge umfasst die erste Stufe einen Kondensator, der an den Ausgang des dreiphasigen AC-DC-Wandlers angeschlossen ist und an dem die Gleichspannung V1 anliegt. Die erste Stufe umfasst zwei parallel zueinander geschaltete Halb- oder Vollbrückenwandler, wobei jede der Halbbrücken vier Leistungswandlerschalter enthält. Die Gleichspannung V1 wird an jeden der beiden Halbbrückenwandler der ersten Stufe angelegt.
Gemäß einem Aspekt wandelt die zweite Stufe hochfrequente Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2, die jeweils eine Amplitude V haben und an den Sekundärseiten der Transformatoren der Zwischenstufe anliegen, in die Gleichspannung Vdc um. Vorteilhafterweise ist die Gleichspannung Vdc gleich V, 2V oder 4V, so dass ein größerer Gleichspannungsbereich zur Verfügung steht. Gemäß diesem Aspekt ist der bidirektionale Leistungswandler in einer Leistungswandlungsbetriebsart konfiguriert, d.h. er wandelt Wechselspannung in Gleichspannung und/oder Gleichspannung in Gleichspannung um. Vorteilhafterweise kann der bidirektionale Leistungswandler in diesem Leistungsumwandlungsmodus Anwendungen in Vorrichtungen finden, die für eine Netz-zu-Fahrzeug-G2V-Ladung eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wandelt die zweite Stufe die Gleichspannung Vdc in die hochfrequenten Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 um. Gemäß diesem Aspekt ist der bidirektionale Stromrichter in einer Leistungsinversionsbetriebsart konfiguriert, d.h. er wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um. Die Wechselspannung ist eine zweistufige Wechselspannung. Vorteilhafterweise kann der bidirektionale Stromrichter in dieser Betriebsart mit Leistungsumkehrung in Geräten eingesetzt werden, die für das Laden von Fahrzeugen an das Stromnetz (V2G) und/oder die Energiespeicherung verwendet werden, eine Anforderung, die in mehreren Normen für das Laden von Fahrzeugen gestellt wird.
Die Zwischenstufe umfasst zwei Hochfrequenztransformatoren, von denen jeder ein Windungsverhältnis aufweist, das gleich dem Verhältnis der an den Primärseiten der Transformatoren anliegenden Hochfrequenzwechselspannungen V1_ac1, V1_ac2 und den an den Sekundärseiten der Transformatoren anliegenden Hochfrequenzwechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 ist. Beispielsweise ist das Windungsverhältnis des ersten Transformators gleich V1_ac1:V2_ac1 und das Windungsverhältnis des zweiten Transformators ist gleich V1_ac2 :V2_ac2. Die Amplituden der hochfrequenten Wechselspannungen V1_ac1, V1_ac2, die an den Primärseiten der Transformatoren anliegen, hängen von der Versorgungsspannung des Stromnetzes ab, und die Amplituden der hochfrequenten Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2, die an der Sekundärseite der Transformatoren anliegen, hängen von einer maximalen Spannungskapazität einer Fahrzeugbatterie ab. Beispielsweise können die Amplituden V der Hochfrequenzspannungen V1_ac1, V1_ac2 von etwa 300 bis etwa 800 V reichen, wenn sie aus einem Wechselstromnetz entnommen werden. In ähnlicher Weise können die Amplituden V der Hochfrequenzspannungen V1_ac1, V1_ac2 im Bereich von etwa 48 V, 72 V, 110 V usw. liegen, wenn sie direkt aus einem Gleichstromnetz entnommen werden. Die Amplituden V der Hochfrequenzspannungen V2_ac1, V2_ac2 können zwischen etwa 150 V und etwa 1500 V liegen.
Einem Aspekt zufolge handelt es sich bei den Hochfrequenztransformatoren um Zweiwicklungstransformatoren, z. B. mit einer einzigen Primärwicklung und einer einzigen Sekundärwicklung. Gemäß diesem Aspekt werden die Hochfrequenzwechselspannungen V1_ac1, V1_ac2 an die jeweiligen Primärwicklungen und die Hochfrequenzwechselspannungen V2_ac1, V1_ac2 an die jeweiligen Sekundärwicklungen angelegt. Nach einem anderen Aspekt sind die Hochfrequenztransformatoren Mehrwicklungs-Transformatoren, zum Beispiel mit mehreren Wicklungen auf der Primärseite und mehreren Wicklungen auf der Sekundärseite. Diesem Aspekt zufolge werden die Hochfrequenz-Wechselspannungen V1_ac1, V1_ac2 an eine der Wicklungen auf den Primärseiten der jeweiligen Transformatoren angelegt und die Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 an einen Satz von Mehrfachwicklungen auf den Sekundärseiten der jeweiligen Transformatoren angelegt. Gemäß diesem Aspekt können mehrere zweite Stufen des bidirektionalen Stromrichters, d. h. eine zweite Stufe pro Sekundärwicklung auf der Sekundärseite, parallel geschaltet werden.
Vorteilhafterweise ist die zweite Stufe, die mit den Sekundärseiten der Transformatoren der Zwischenstufe verbunden ist, als AC-DC-Wandler mit drei Zweigen ausgeführt. Gemäß diesem Aspekt sind die beiden Sekundärwicklungen der beiden Transformatoren zwischen den drei Zweigen geschaltet. Gemäß einem Aspekt umfasst die zweite Stufe mindestens vier Leistungswandlerschalter. Gemäß diesem Aspekt sind zwei der Leistungsumwandlungsschalter auf einem ersten und einem zweiten Zweig der drei Zweige angeordnet und zwei Dioden sind auf einem dritten Zweig angeordnet. Gemäß diesem Aspekt arbeitet die zweite Stufe in der Betriebsart Leistungsumwandlung des bidirektionalen Stromrichters. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die zweite Stufe sechs Leistungsumwandlungsschalter, wobei zwei Leistungsumwandlungsschalter auf jedem der drei Zweige angeordnet sind. Gemäß diesem Aspekt werden die vorgenannten Dioden auf dem dritten Zweig durch Leistungsumwandlungsschalter ersetzt. Gemäß diesem Aspekt arbeitet die zweite Stufe in der Leistungsinversionsbetriebsart des bidirektionalen Stromrichters. Die Leistungsumwandlungsschalter sind unidirektionale Schalter oder Zwei-Quadranten-Schalter.
Die zweite Stufe umfasst auch einen Spannungswahlschalter. Einem Aspekt zufolge ist der Spannungswahlschalter ein bidirektionaler Schalter oder ein Vierquadrantenschalter. Nach einem anderen Aspekt ist der Spannungswahlschalter ein Zwei-Quadranten-Schalter. Der hier verwendete Begriff „Schalter“ bezieht sich auf eine Schaltvorrichtung, die in der Lage ist, zwei elektrische Knoten zu verbinden und zu trennen, z. B. unter Verwendung eines bipolaren Transistors mit isolierter Steuerelektrode (IGBT), eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET), von Thyristoren, Dioden, variablen Widerständen oder anderen Vorrichtungen dieser Klasse, die für einen Fachmann offensichtlich sind. Der Schalter kann auch ein mechanischer Schalter sein, z. B. ein Schütz. Jeder der Leistungsumwandlungsschalter kann durch eine Reihen- oder Parallelschaltung von einem oder mehreren Einzelschaltern mit Hilfe eines gemeinsamen logischen Ansteuerungsimpulses realisiert werden, der die Spannungs- und Stromanforderungen des bidirektionalen Leistungswandlers erfüllen würde.
Die zweite Stufe umfasst auch zwei oder mehr Kondensatoren, die elektrisch parallel zu den Leistungsumwandlungsschaltern geschaltet sind. Die Kondensatoren sind auch elektrisch mit dem Spannungswahlschalter gekoppelt. Vorteilhafterweise sind die Kondensatoren so angeordnet, dass jeder der Kondensatoren gleichmäßig aufgeladen ist. Die zweite Stufe umfasst die Kondensatoren, zum Beispiel C1 und C2, so dass die Leistungsumwandlungsschalter, zum Beispiel S5-S8 und/oder S10-S11, symmetrisch über den Kondensatoren C1 und C2 angeordnet sind.
Ein Fachmann wird verstehen, dass jeder der Kondensatoren C1 und C2 durch mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Kondensatoren realisiert werden kann, z. B. kann jeder der Kondensatoren C1 und C2 eine Kondensatorbank darstellen.
Vorteilhafterweise werden die einzelnen Komponenten des bidirektionalen Stromrichters, insbesondere die zweite Stufe, in Abhängigkeit von der zu übertragenden Spannung ausgewählt.
Vorteilhafterweise regelt die zweite Stufe im oben genannten Leistungsumwandlungsmodus des bidirektionalen Stromrichters die Gleichspannung Vdc dynamisch zwischen V, 2V und 4V, basierend auf einer Spannungsanforderung des aufzuladenden EV, d.h. basierend auf einer Kapazität der Fahrzeugbatterie. Diese dynamische Veränderung der Gleichspannung Vdc wird durch das Öffnen und Schließen des Spannungswahlschalters in Kombination mit den Polaritäten der Hochfrequenztransformatoren erreicht.
Gemäß einem Aspekt erzeugt die zweite Stufe die Gleichspannung Vdc mit einer Amplitude von 4V, die den Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 jeweils der Amplitude V entspricht, wenn die Transformatoren in Phase miteinander sind und der Spannungswahlschalter in einem geschlossenen Zustand ist, d.h. eingeschaltet ist. Während dieses Zustands des geschlossenen Spannungswahlschalters wird einer der vier Leistungsumwandlungsschalter in einem geschlossenen Zustand gehalten, der der positiven Polarität und der negativen Polarität der Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 entspricht. Vorteilhaft ist, dass die Transformatoren in diesem Betriebszustand in Reihe miteinander geschaltet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt erzeugt die zweite Stufe, wenn die Transformatoren in Phase zueinander sind und der Spannungswahlschalter sich in einem offenen Zustand befindet, d.h. ausgeschaltet ist, die Gleichspannung Vdc mit einer Amplitude von 2V, die den Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 jeweils mit der Amplitude V entspricht. Während dieses Zustands des geschlossenen Spannungswahlschalters werden zwei der vier Leistungsumwandlungsschalter in einem geschlossenen Zustand gehalten, der der positiven Polarität und der negativen Polarität der Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 entspricht. Vorteilhaft ist, dass die Transformatoren in diesem Betriebszustand in Reihe miteinander geschaltet sind.
Nach einem weiteren Aspekt erzeugt die zweite Stufe unabhängig von der Stellung des Spannungswahlschalters bei einer Phasenverschiebung der Transformatoren um beispielsweise 180 Grad die Gleichspannung Vdc mit einer Amplitude V, die den Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 jeweils der Amplitude V entspricht. Während dieses Zustands werden zwei der vier Leistungsumwandlungsschalter in einem geschlossenen Zustand gehalten, der der positiven Polarität und der negativen Polarität der Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1, V2_ac2 entspricht. Vorteilhaft ist, dass die Transformatoren in diesem Betriebszustand parallel zueinander geschaltet sind.
Einem Fachmann dürfte klar sein, dass mehrere solcher bidirektionaler Stromrichter miteinander verbunden werden können, beispielsweise einer pro Phase der Eingangswechselspannung Vacgrid, und in einer mehrphasigen bidirektionalen Stromrichteranwendung mit einem mehrphasigen Eingang und/oder einem mehrphasigen Ausgang eingesetzt werden können. Außerdem kann jeder einphasige Wandler mehrere parallel geschaltete Eingangsanschlüsse haben.
Außerdem wird hier eine Ladevorrichtung zur Übertragung von Energie zwischen einem Elektrofahrzeug (EV) und einem Stromnetz offengelegt. Die Ladevorrichtung umfasst den oben erwähnten bidirektionalen Stromrichter, ein netzseitiges Modul und ein fahrzeugseitiges Modul.
Das netzseitige Modul ist in der Lage, z. B. im Leistungsumwandlungsmodus des bidirektionalen Stromrichters eine Wechselspannung Vacgrid oder eine Gleichspannung Vdcgrid aus dem Stromnetz, z. B. einem Wechselstromnetz oder einem Gleichstromnetz und/oder einem Energiespeichersystem, aufzunehmen. Das netzseitige Modul ist auch in der Lage, z. B. im Leistungsumwandlungsmodus des bidirektionalen Stromrichters die Wechselspannung Vacgrid oder die Gleichspannung Vdcgrid an das Stromnetz zu liefern.
Das fahrzeugseitige Modul ist in der Lage, im Leistungsumwandlungsmodus des bidirektionalen Stromrichters eine Gleichspannung Vdc an das mit der Ladevorrichtung verbundene EV zu liefern und im Leistungsumkehrmodus des bidirektionalen Stromrichters eine Gleichspannung Vdc von dem mit der Ladevorrichtung verbundenen EV zu empfangen.
Das hier beschriebene Ladegerät ist vorteilhafterweise ein Gleichstrom-Schnellladegerät, das eine breite Palette von Elektrofahrzeugen aufladen kann, z. B. leichte Kraftfahrzeuge wie Autos und schwere Elektrofahrzeuge wie Lastwagen, Busse usw.
Außerdem wird hier ein Verfahren zur Übertragung von Energie zwischen einem Elektrofahrzeug (EV) und einem Stromnetz unter Verwendung der oben genannten Ladevorrichtung offengelegt. Das Verfahren umfasst das Erkennen der physischen Verbindung des Elektrofahrzeugs mit dem fahrzeugseitigen Modul der Ladevorrichtung und das selektive Betreiben des bidirektionalen Leistungswandlers der Ladevorrichtung in einem Leistungsumwandlungsmodus oder einem Leistungsumkehrmodus.
Der Leistungsumwandlungsmodus des bidirektionalen Stromrichters umfasst die Umwandlung der vom Stromnetz empfangenen Wechselspannung Vacgrid in die Gleichspannung Vdc mit den Amplituden V, 2V oder 4V. Der Spannungswahlschalter der zweiten Stufe des bidirektionalen Stromrichters ermöglicht es dem bidirektionalen Stromrichter, die Gleichspannung Vdc mit der Amplitude 4V zu erzeugen, wenn er sich in einem geschlossenen Zustand befindet und die Transformatoren in Phase zueinander sind. In ähnlicher Weise erzeugt der bidirektionale Stromrichter die Gleichspannung Vdc mit der Amplitude 2V, wenn der Spannungswahlschalter offen ist und die Transformatoren in Phase zueinander sind, und wenn die Transformatoren außer Phase zueinander sind, erzeugt der bidirektionale Stromrichter die Gleichspannung Vdc mit der Amplitude V. Das Verfahren umfasst das selektive Positionieren der Leistungsumwandlungsschalter und des Spannungswahlschalters zwischen dem offenen Zustand und dem geschlossenen Zustand und das Halten der Transformatoren in Phase oder außer Phase zueinander auf der Grundlage einer Spannungsanforderung einer Batterie des Fahrzeugs, d.h. eines Leichtlast- oder Schwerlastfahrzeugs. Das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung der Gleichspannung Vdc an das Elektrofahrzeug über das fahrzeugseitige Modul der Ladevorrichtung zum Laden des Elektrofahrzeugs.
Gemäß einem Aspekt bestimmt das Verfahren eine Gleichspannung Vdc, die zum Laden des Elektrofahrzeugs erforderlich ist, zum Beispiel auf der Grundlage einer Marke und eines Typs des Fahrzeugs, wie etwa eines Schwerlastkraftwagens oder eines Leichtkraftwagens usw, und dann selektives Betreiben der Leistungsumwandlungsschalter und des Spannungswahlschalters, d.h. zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand, und Einstellen der Polaritäten der Transformatoren, um sie in Phase oder außer Phase miteinander zu bringen, basierend auf der erforderlichen Gleichspannung Vdc, d.h. V, 2V oder 4V, und Laden des EV mit der Gleichspannung Vdc, die von der zweiten Stufe des bidirektionalen Leistungswandlers erzeugt wird.
Der Leistungsumkehrmodus des bidirektionalen Stromrichters umfasst die Umwandlung der vom EV empfangenen Gleichspannung Vdc mit den Amplituden V, 2V oder 4V in die Hochfrequenz-Wechselspannung V2_ac1, V2_ac2 durch selektives Betreiben der Leistungsumwandlungsschalter, des Spannungswahlschalters und der Transformatoren auf der Grundlage der am EV verfügbaren Gleichspannung Vdc. Das Verfahren in dieser Betriebsart liefert die Hochfrequenz-Wechselspannung V2_ac1, V2_ac2 an die Zwischenstufe des bidirektionalen Stromrichters. Die Hochfrequenz-Wechselspannung V2_ac1, V2_ac2 ist eine zweistufige Wechselspannung mit einer Amplitude von +V und -V.
Einem Aspekt zufolge wird diese Auswahl der Betriebsart, d. h. des Stromumwandlungsmodus oder des Stromumkehrmodus, beispielsweise von einem Benutzer vorgenommen, der das Ladegerät bedient. Nach einem anderen Aspekt wird das Ladegerät von einem Benutzer, der das Ladegerät bedient, auf eine bestimmte Betriebsart voreingestellt. Nach einem weiteren Aspekt wählt das Verfahren dynamisch eine Betriebsart aus, die auf der Verfügbarkeit der Spannungsversorgung aus dem Stromnetz basiert, z. B. wenn das Stromnetz nicht die erforderliche Wechsel- oder Gleichspannung liefert, schaltet das Verfahren automatisch in einen Stromumkehrmodus, in dem Strom in das Netz eingespeist wird, und umgekehrt.
Die oben genannten und andere Merkmale der Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen der vorliegenden Erfindung angesprochen werden. Die dargestellten Ausführungsformen sollen die Erfindung veranschaulichen, aber nicht einschränken.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben, in denen:

1A zeigt ein Blockdiagramm eines Gleichstrom-Ladegeräts, das nach dem Stand der Technik zum Laden von Elektrofahrzeugen (EVs) eingesetzt wird;
1B-1C zeigen ein elektrisches Schaltbild des Leistungswandlers des in 1A gezeigten Gleichstromladegeräts nach dem Stand der Technik;
2A zeigt ein Blockdiagramm einer Ladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2B zeigt ein elektrisches Schaltbild eines bidirektionalen Stromrichters der in 2A gezeigten Ladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3A-3B veranschaulichen den Stromfluss durch den in 2B dargestellten Schaltplan des bidirektionalen Stromrichters, wenn die Transformatoren des bidirektionalen Stromrichters zueinander phasenverschoben sind;
4A-4B veranschaulichen die Stromflüsse durch das in 2B dargestellte Schaltbild des bidirektionalen Stromrichters, wenn die Transformatoren in Phase zueinander stehen und der Spannungswahlschalter des bidirektionalen Stromrichters geöffnet ist;
5A-5B veranschaulichen den Stromfluss durch das in 2B dargestellte Schaltbild des bidirektionalen Stromrichters, wenn die Transformatoren in Phase zueinander stehen und der Spannungswahlschalter des bidirektionalen Stromrichters geschlossen ist;
6 zeigt die zweite Stufe des in 2B dargestellten bidirektionalen Stromrichters, die als Wechselrichter eingesetzt wird; und
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energieübertragung zwischen einem Elektrofahrzeug und einem Stromnetz, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

Verschiedene Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Referenznummern verwendet werden, um gleiche Elemente durchgehend zu bezeichnen. In der folgenden Beschreibung werden zum Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein gründliches Verständnis einer oder mehrerer Ausführungsformen zu ermöglichen. Es mag offensichtlich sein, dass solche Ausführungsformen auch ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können.
2A zeigt ein Blockdiagramm einer Ladevorrichtung 200A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Ladevorrichtung 200A umfasst ein netzseitiges Modul 101, einen bidirektionalen Stromrichter 200B und ein fahrzeugseitiges Modul 103, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, wie in 2A dargestellt. Das netzseitige Modul 101 hat eine dreiphasige Wechselspannungsversorgung Vacgrid, dargestellt durch 101A, die aus dem Stromnetz kommt, und eine Schutzeinheit 101B, die elektrisch mit der dreiphasigen Wechselspannungsversorgung 101A gekoppelt ist. Das netzseitige Modul 101 fungiert als Schnittstelle zwischen dem bidirektionalen Stromrichter 200B und dem Stromnetz zur Aufnahme und Abgabe der Wechselspannung Vacgrid aus dem und an das Stromnetz.
Der bidirektionale Stromrichter 200B besteht aus einem Eingangsfilter 102A, einem 3-Phasen-Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 102B, z. B. einem 3-Phasen-Pulsweitenmodulations-Wandler (PWM), und einem isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 102C, die elektrisch miteinander verbunden sind. Das fahrzeugseitige Modul 103 ist eine Schutzeinheit, die in der Lage ist, eine Gleichspannung Vdc von einem EV 106 zu empfangen und an dieses abzugeben. Die Ladevorrichtung 200A umfasst auch ein Reglermodul 104 mit einem oder mehreren Reglern 104A, 104B. Das Steuermodul 104 ist elektrisch mit dem bidirektionalen Stromrichter 200B gekoppelt, um den dreiphasigen Pulsweiten-Modulations-Wandler (PWM) 102B und den isolierten DC-DC-Wandler 102C zu steuern. Das Steuermodul 104 ist auch in der Lage, die Richtung des Stromflusses zwischen dem Stromnetz und dem Fahrzeug 106 zu steuern. Die Richtung des Leistungsflusses wird durch die Steuerung des Winkels der Phasendifferenz zwischen der Primär- und der Sekundärseite der in der Zwischenstufe 203 des isolierten DC-DC-Wandlers 102C des bidirektionalen Leistungswandlers 200B verwendeten Transformatoren gesteuert. Wenn beispielsweise die Spannung auf der Sekundärseite gegenüber der Spannung auf der Primärseite nacheilt, fließt der Strom in Richtung des EV 106.
Die Ladevorrichtung 200A umfasst auch ein Softwaremodul 105 mit einer Benutzerschnittstelle 105A, wie z. B. einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), die elektrisch mit einem Kommunikationscontrollermodul 105B gekoppelt ist, das wiederum mit tragbaren elektronischen Geräten 105C, wie z. B. Mobiltelefonen, einem Cloud-Kommunikationsnetzwerk 105D und/oder einem vom Stromnetz 101A betriebenen Benutzergerät 105E kommuniziert. Das Kommunikationssteuerungsmodul 105B kommuniziert auch mit dem EV 106.
2B zeigt das elektrische Schaltbild eines bidirektionalen Stromrichters 200B gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der bidirektionale Stromrichter 200B empfängt einen dreiphasigen Wechselstromeingang Vacgrid von dem in 2A dargestellten netzseitigen Modul 101, der dann einem dreiphasigen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 102B des bidirektionalen Stromrichters 200B zugeführt wird, der eine Gleichspannung V1 erzeugt, die wiederum als Eingang für den isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 102C bereitgestellt wird.
Der isolierte Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 102C umfasst eine erste Stufe 201 mit zwei parallel geschalteten Halb- oder Vollbrückenwandlern, die in der Lage sind, die Gleichspannung V1 in Hochfrequenz-Wechselspannungen V1_ac1 bzw. V1_ac2 der Amplitude V umzuwandeln. Die erste Stufe 201 des isolierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 102C ist ebenfalls in der Lage, die Hochfrequenz-Wechselspannungen V1_ac1 und V1_ac2 in die Gleichspannung V1 umzuwandeln, wenn der bidirektionale Stromrichter 200B in einem Leistungsumkehrmodus betrieben wird. Der isolierte DC-DC-Wandler 102C umfasst eine zweite Stufe 204. Die zweite Stufe 204 ist in der Lage, in einem Leistungsumwandlungsmodus zu arbeiten und die Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 der Amplitude V in eine Gleichspannung Vdc der Amplitude V, 2V oder 4V umzuwandeln.
Die beiden Stufen 201 und 204 sind durch eine Zwischenstufe 203 gekoppelt, die eine Hochfrequenzisolierung zwischen ihnen gewährleistet. Die Zwischenstufe 203 umfasst zwei Hochfrequenztransformatoren T1 und T2, die zwischen der ersten Stufe 201 und der zweiten Stufe 202 angeschlossen sind. Der Transformator T1 hat ein Windungsverhältnis entsprechend V1_ac1:V2_ac1 und der Transformator T2 hat ein Windungsverhältnis entsprechend V1_ac2:V2_ac2.
Wie in 2B dargestellt, umfasst die zweite Stufe 204 des isolierten Gleichspannungswandlers 102C vier Leistungsumwandlungsschalter S5, S6, S7 und S8. Die zweite Stufe 204 umfasst auch einen Spannungswahlschalter S9, der elektrisch mit den Leistungsumwandlungsschaltern S5-S8 gekoppelt ist. Die zweite Stufe 204 umfasst auch Kondensatoren C1 und C2, die elektrisch mit den Leistungsumwandlungsschaltern S5-S8 und dem Spannungswahlschalter S9 verbunden sind.
Der Betrieb, d. h. das Ein- und Ausschalten, des Spannungswahlschalters S9 bestimmt zusammen mit den Spannungspolaritäten der Transformatoren T1 und T2, d. h. der Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2, ob die Gleichspannung Vdc, die an den Kondensatoren C1 und C2 anliegt, V, 2V oder 4V beträgt. Eine Stellung, d. h. eine offene oder eine geschlossene Stellung, des Spannungswahlschalters S9 und die Polaritäten der Transformatoren T1 und T2 werden für den Betrieb in Abhängigkeit vom Typ des EV 106, an den die Gleichspannung Vdc angelegt werden soll, und den Spannungsanforderungen der Batterie dieses EV 106 gewählt. Wenn zum Laden eine Gleichspannung von etwa 2 V erforderlich ist, wird der Spannungswahlschalter S9 ausgeschaltet, d. h. geöffnet, und die Polaritäten der Transformatoren T1 und T2 werden in Phase zueinander gehalten. Wenn hingegen die erforderliche Gleichspannung ungefähr 4 V beträgt, wird der Spannungswahlschalter S9 eingeschaltet, d.h. geschlossen, und die Polaritäten der Transformatoren T1 und T2 werden in Phase zueinander gehalten. Wenn also die Polaritäten der Transformatoren T1 und T2 in Phase zueinander gehalten werden, ist es die Stellung des Spannungswahlschalters S9, die bestimmt, ob die Ausgangsgleichspannung des bidirektionalen Stromrichters 200B 2 V oder 4 V beträgt. In ähnlicher Weise ist die von der zweiten Stufe 204 des bidirektionalen Stromrichters 200B erzeugte Gleichspannung gleich V, wenn die Polaritäten der Transformatoren T1 und T2 nicht in Phase zueinander gehalten werden, d.h. wenn die Transformatoren T1 und T2 zueinander phasenverschoben sind, unabhängig von der Stellung des Spannungswahlschalters S9.
Das Steuermodul 104 ermöglicht die Steuerung und den Betrieb der Schalter S1-S9 und der Transformatoren T1 und T2 des bidirektionalen Stromrichters 102C. Die Ladevorrichtung 200A erkennt den Spannungsbedarf des EV 106 mit Hilfe des in 2A gezeigten Steuermoduls 104, das seinerseits elektrisch mit dem bidirektionalen Stromrichter 200B gekoppelt ist. Alternativ wird der Spannungsbedarf des EV 106 durch das Softwaremodul 105 erfasst, das wiederum elektrisch mit dem Reglermodul 104 gekoppelt ist. Das Softwaremodul 105 empfängt z. B. über seine Benutzerschnittstelle 105A den Spannungsbedarf als Benutzereingabe. Alternativ nehmen ein oder mehrere Bildaufnahmegeräte (nicht dargestellt), die mit dem Softwaremodul 105 kommunizieren, ein oder mehrere Bilder des EV 106 auf, und das Softwaremodul 105 verarbeitet die Bilder, um eine Marke und einen Typ des EV 106 zu bestimmen, auf deren Grundlage der Spannungsbedarf ermittelt wird.
Der in 2B dargestellte Spannungswahlschalter S9 kann mit einem unidirektionalen Schalter wie einer Diode realisiert werden. Wenn der Spannungswahlschalter S9 jedoch mit einem unidirektionalen Schalter realisiert wird, kann der bidirektionale Stromrichter 200B nur in einer Betriebsart betrieben werden, nämlich entweder durch Leistungsumwandlung, die den Stromfluss vom Netz zum Fahrzeug ermöglicht, oder durch Leistungsumkehr, die den Stromfluss vom Fahrzeug zum Netz ermöglicht. Der Spannungswahlschalter S9 kann mit einem bidirektionalen Schalter realisiert werden, wenn der bidirektionale Stromrichter 200B selektiv in den Betriebsmodi Leistungsumwandlung und Leistungsumkehr betrieben wird. Wenn die Leistungsumwandlungsschalter S5-S8 des bidirektionalen Stromrichters 200B so betrieben werden, dass eine Gleichspannung von 2 V erzeugt wird, muss der Spannungswahlschalter S9, d. h. die Diode, in Sperrichtung vorgespannt sein. Wenn hingegen die Leistungsumwandlungsschalter S5-S8 des bidirektionalen Stromrichters 200B so betrieben werden, dass eine Gleichspannung von 4 V erzeugt wird, wird der Spannungswahlschalter S9, d. h. die Diode, in Durchlassrichtung vorgespannt.
Die zeigen die Stromflüsse durch das in dargestellte Schaltbild des bidirektionalen Stromrichters 200B, wenn die Transformatoren T1 und T2 des bidirektionalen Stromrichters 200B zueinander phasenverschoben sind, d.h. wenn die Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 an den Ausgängen der Transformatoren T1 bzw. T2 entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Wenn die Transformatoren T1 und T2 parallel geschaltet und zueinander phasenverschoben sind, wirkt der Spannungswahlschalter S9 unabhängig von seinem geschlossenen oder offenen Zustand als offener Schalter, d.h. im AUSZustand.
3A zeigt ein Szenario, bei dem der Transformator T1 eine positive Spannung V2_ac1=+V und der Transformator T2 eine negative Spannung V2_ac2=-V aufweist. 3B zeigt ein Szenario, bei dem der Transformator T1 eine negative Spannung V2_ac1=-V und der Transformator T2 eine positive Spannung V2_ac2=+V hat. Die durchgezogenen Linien in 3A-3B zeigen den vom Transformator T1 gespeisten Strom und die gestrichelten Linien den vom Transformator T2 gespeisten Strom. Eine Schalttabelle für den bidirektionalen Stromrichter 200B mit den vorgenannten Zuständen des Spannungswahlschalters S9 und den Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 ist in der folgenden Tabelle 3 dargestellt, wobei:

Die Werte 1 und 0 symbolisieren das Einschalten des Schalters bzw. das Ausschalten des Schalters;
V_AC ist die Spannung zwischen den Knoten A und C, die die vom Transformator T1 gelieferte Hochfrequenz-Wechselspannung V2_ac1 darstellt;
V_CB ist die Spannung zwischen den Knoten C und B, die die vom Transformator T2 gelieferte Hochfrequenz-Wechselspannung V2_ac2 darstellt; und
Vdc ist die vom bidirektionalen Stromrichter 200B erzeugte Gleichspannung.
Idc ist der von dem bidirektionalen Stromrichter 200B gelieferte Gleichstrom.

V_AC	V_CB	S5	S6	S7	S8	Vdc	Idc
+V	-V	1	1	0	0	V	2I
-V	+V	0	0	1	1	V	2I

Somit sind die Transformatoren T1 und T2 parallel geschaltet, und die Ausgangsgleichspannung Vdc des bidirektionalen Stromrichters 200B ist gleich der Spannung jedes der Transformatoren T1 und T2, d. h. Vdc=V. Da in jedem Zyklus sowohl die Transformatoren T1 als auch T2 Strom liefern, ist der Ausgangsstrom Idc die Addition der beiden Transformatorströme, d. h. Idc=2I.
Die zeigen die Stromflüsse durch das in gezeigte Schaltbild des bidirektionalen Stromrichters 200B, wenn die Transformatoren T1 und T2 in Phase zueinander sind, d.h. wenn die Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 der Transformatoren T1 bzw. T2 die gleiche Polarität haben und der Spannungswahlschalter S9 des bidirektionalen Stromrichters 200B offen ist.
4A zeigt ein Szenario, bei dem der Transformator T1 eine positive Spannung V2_ac1=+V hat und der Transformator T2 ebenfalls eine positive Spannung V2_ac2=+V hat. 4B zeigt ein Szenario, bei dem der Transformator T1 eine negative Spannung V2_ac1=-V und der Transformator T2 ebenfalls eine negative Spannung V2_ac2=-V aufweist. Die gestrichelten Linien in den 4A-4B zeigen den Strom, der von den beiden Transformatoren T1 und T2 geliefert wird. Eine Schalttabelle für den bidirektionalen Stromrichter 200B mit den vorgenannten Zuständen des Spannungswahlschalters S9 und den Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 ist in der nachstehenden Tabelle 4 dargestellt, wobei:

V_AC	V_CB	S5	S6	S7	S8	Vdc	Idc
+V	+V	1	0	1	0	2V	I
-V	-V	0	1	0	1	2V	I

Die Transformatoren T1 und T2 sind also in Reihe geschaltet, und die Ausgangsgleichspannung Vdc des bidirektionalen Stromrichters 200B ist gleich der Addition der Spannungen jedes der Transformatoren T1 und T2, d. h. Vdc=2V. In jedem Zyklus fließt die gleiche Strommenge von den Transformatoren T1 und T2, daher ist der Ausgangsstrom Idc=I.
5A-5B zeigen die Stromflüsse durch das in 2B dargestellte Schaltbild des bidirektionalen Stromrichters 200B, wenn die Transformatoren T1 und T2 in Phase zueinander stehen und der Spannungswahlschalter S9 des bidirektionalen Stromrichters 200B geschlossen, d. h. eingeschaltet ist.
5A zeigt ein Szenario, bei dem der Transformator T1 eine positive Spannung V2_ac1=+V hat und der Transformator T2 ebenfalls eine positive Spannung V2_ac2 =+V hat. 5B zeigt ein Szenario, bei dem der Transformator T1 eine negative Spannung V2_ac1 =-V und der Transformator T2 ebenfalls eine negative Spannung V2_ac2 =-V aufweist. Die gestrichelten Linien in den 5A-5B zeigen den Strom, der von den beiden Transformatoren T1 und T2 geliefert wird. Eine Schalttabelle für den bidirektionalen Stromrichter 200B mit den vorgenannten Zuständen des Spannungswahlschalters S9 und den Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 ist in der folgenden Tabelle 5 dargestellt, wobei:

V_AC	V_CB	S5	S6	S7	S8	Vdc	Idc
+V	+V	1	0	0	0	4V	I/2
-V	-V	0	1	0	0	4V	I/2

Die Transformatoren T1 und T2 sind also in Reihe geschaltet, und die Ausgangsgleichspannung Vdc des bidirektionalen Stromrichters 200B ist gleich der doppelten Addition der Spannungen jedes der Transformatoren T1 und T2, d. h. Vdc=4V. Dagegen wird jeder der Ausgangskondensatoren C1 und C2 während der Hälfte des Zyklus mit einer Stromstärke gleich I geladen. Somit ist Idc=I/2.
6 zeigt die zweite Stufe 204 des in 2B gezeigten bidirektionalen Stromrichters 200B, die als Wechselrichter eingesetzt wird, d.h. der bidirektionale Stromrichter 200B arbeitet in einer Leistungsinversionsbetriebsart, in der die von der EV 106 eingespeiste Gleichspannung Vdc von der zweiten Stufe 204 in Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 an den Sekundärseiten der Transformatoren T1 bzw. T2 umgewandelt wird und die erste Stufe 201 die Wechselspannungen V1_ac1 und V1_ac2 an den Primärseiten der Transformatoren T1 und T2 in Gleichspannung V1 umwandelt. Der AC-DC-Wandler 102B wandelt dann diese Gleichspannung V1 in eine Wechselspannung Vac um, die in das Stromnetz zurückgespeist werden kann. In dieser Betriebsart des bidirektionalen Stromrichters 200B werden die in den 2B-5B gezeigten Dioden D5 und D6 durch gesteuerte Schalter S10 und S11 ersetzt, die den Leistungsumwandlungsschaltern S5-S8 ähneln. Die Schalter S5-S8 wandeln, wenn sie wie in den Tabellen 3, 4 und 5 dargestellt betrieben werden, die Gleichspannung Vdc in die Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 um.
Wenn die von der EV 106 gelieferte Gleichspannung Vdc V beträgt, können die Schalter S5-S8 und S10-S11 wie in Tabelle 6 gezeigt betätigt werden, während S9, wie zuvor beschrieben, geschlossen oder geöffnet bleiben kann. Die Transformatoren T1 und T2 bleiben in diesem Fall phasenverschoben zueinander: Tabelle 6

V_AC V_CB S5 S6 S7 S8 S10 S11 Vdc Idc

+V -V 1 1 0 0 0 1 V -2I

-V +V 0 0 1 1 1 0 V -2I
Wenn die von der EV 106 gelieferte Gleichspannung Vdc 2 V beträgt, können die Schalter S5-S8 und S10-S11 wie in Tabelle 7 gezeigt betätigt werden, während sich S9, wie zuvor beschrieben, in einer AUS-Stellung befindet, also geöffnet ist. Die Transformatoren T1 und T2 würden in Phase zueinander gehalten werden: Tabelle 7

V_AC V_CB S5 S6 S7 S8 S10 S11 Vdc Idc

+V +V 1 0 1 0 0 0 2V -I

-V -V 0 1 0 1 0 0 2V -I
Wenn die von der EV 106 gelieferte Gleichspannung Vdc 4 V beträgt, können die Schalter S5-S8 und S10-S11 wie in Tabelle 8 gezeigt betätigt werden, während S9, wie zuvor beschrieben, in der Stellung ON, also geschlossen ist. Die Transformatoren T1 und T2 würden in Phase zueinander gehalten werden: Tabelle 8

V_AC V_CB S5 S6 S7 S8 S10 S11 Vdc Idc

+V +V 1 0 0 0 0 0 4V -I/2

-V -V 0 1 0 0 0 0 4V -I/2
7 zeigt ein Prozessablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zur Energieübertragung zwischen einem in 1A und 2A dargestellten Elektrofahrzeug (EV) 106 und einem Stromnetz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das hier offengelegte Verfahren 700 verwendet die in 2A gezeigte Ladevorrichtung 200A.
In Schritt 701 erkennt das Verfahren die physische Verbindung des EV 106 mit dem fahrzeugseitigen Modul 103 der Ladevorrichtung 200A.
In Schritt 702 betreibt das Verfahren den bidirektionalen Leistungswandler 200B der in 2B dargestellten Ladevorrichtung 200A selektiv in einem Leistungsumwandlungsmodus oder einem Leistungsumkehrmodus. In Schritt 702A empfängt das Verfahren eine Benutzereingabe über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle der Ladevorrichtung 200A in Bezug auf einen Betriebsmodus, d.h. einen Leistungsumwandlungsmodus oder einen Leistungsumkehrmodus, in dem der bidirektionale Leistungswandler 200B betrieben werden soll. Der Leistungsumwandlungsmodus des bidirektionalen Stromrichters 200B umfasst die Umwandlung der vom Stromnetz empfangenen Wechselspannung Vac in die Gleichspannung Vdc mit den Amplituden V, 2V oder 4V.
In Schritt 702B bestimmt das Verfahren, ob der Benutzer einen Stromumwandlungsmodus ausgewählt hat. Falls ja, wird in Schritt 702C der Spannungsbedarf des an die Ladevorrichtung 200A angeschlossenen Fahrzeugs 106 ermittelt. In Schritt 702D, wenn die Spannungsanforderung für ein Hochleistungs-EV 106 ist, das 2V oder 4V als Gleichstromausgangsspannung Vdc benötigt, dann hält das Verfahren in Schritt 702E die Transformatoren T1 und T2 in Phase zueinander und schaltet den Spannungswahlschalter S9 der zweiten Stufe 204 des bidirektionalen Stromwandlers 204 in einen offenen Zustand, um die Gleichstromausgangsspannung Vdc=2V zu erzeugen, oder in einen geschlossenen Zustand, um die Gleichstromausgangsspannung Vdc=4V zu erzeugen. Wenn die Spannungsanforderung nicht für ein Schwerlast-EV 106 gilt, dann bringt das Verfahren in Schritt 702F die Transformatoren T1 und T2 außer Phase zueinander, um die Ausgangsgleichspannung Vdc=V zu erzeugen. Das Verfahren umfasst daher das selektive Betreiben der Transformatoren T1 und T2 und das Positionieren des Spannungswahlschalters S9 zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand auf der Grundlage einer Spannungsanforderung einer Batterie des EV 106. In Schritt 702G umfasst das Verfahren ferner die Bereitstellung der Gleichspannung Vdc an das EV 106 über das fahrzeugseitige Modul 103 der Ladevorrichtung 200A zum Laden des EV 106.
In Schritt 702B bestimmt das Verfahren, ob der Benutzer einen Energieumwandlungsmodus ausgewählt hat. Wenn nein, dann wird in Schritt
702H betreibt das Verfahren den bidirektionalen Stromrichter 200B im Leistungsinversionsmodus, in dem die Gleichspannung Vdc vom EV 106 empfangen und in die Hochfrequenzwechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 umgewandelt wird.
Während des Betriebs des bidirektionalen Stromrichters 200B im Stromumkehrmodus bestimmt das Verfahren die Gleichspannung Vdc, die an dem an die Ladevorrichtung 200A angeschlossenen Fahrzeug 106 anliegt. Handelt es sich beispielsweise um ein Schwerlast-EV 106 mit Vdc von 2V oder 4V, dann hält das Verfahren die Transformatoren T1 und T2 in Phase zueinander und schaltet den Spannungswahlschalter S9 der zweiten Stufe 204 des bidirektionalen Stromrichters 204 in einen offenen Zustand für Vdc=2V oder in einen geschlossenen Zustand für Vdc=4V. Andernfalls, wenn es sich bei dem EV um ein Leichtkraftfahrzeug handelt, bringt das Verfahren die Transformatoren T1 und T2 bei Vdc=V außer Phase zueinander. Das Verfahren umfasst also den selektiven Betrieb der Transformatoren T1 und T2 und die Positionierung des Spannungswahlschalters S9 zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand auf der Grundlage der verfügbaren Spannung der Batterie des EV 106.
In Schritt 7021 stellt das Verfahren der Zwischenstufe 203 des bidirektionalen Stromrichters 200B die von der zweiten Stufe 204 des bidirektionalen Stromrichters 200B erzeugten Hochfrequenz-Wechselspannungen V2_ac1 und V2_ac2 , die den Gleichspannungen V, 2V oder 4V entsprechen, zur Verfügung, die von den Hochfrequenztransformatoren T1 und T2 der Zwischenstufe 203 weiter in Hochfrequenz-Wechselspannungen V1_ac1 und V1_ac2 umgewandelt werden, die wiederum von der ersten Stufe 201 des bidirektionalen Stromrichters 200B in eine Gleichspannung V1 umgewandelt werden, die entweder direkt in ein Gleichstromnetz oder ein Energiespeichersystem eingespeist oder in eine Wechselspannung Vac umgewandelt und in das Wechselstromnetz zurückgespeist werden kann.
Während die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es zu begrüßen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. In Anbetracht der vorliegenden Offenbarung, viele Modifikationen und Variationen würden sich selbst, für die Fachleute auf dem Gebiet, ohne Abweichung von dem Umfang der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie hier beschrieben. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird daher eher durch die folgenden Ansprüche als durch die vorangehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, Modifikationen und Variationen, die der Bedeutung und dem Äquivalenzbereich der Ansprüche entsprechen, sind innerhalb ihres Umfangs zu betrachten.
Bezugszeichenliste

100: DC Ladegerät nach dem Stand der Technik
101: Eingabemodul
101A: Stromnetz
101B: Eingangsseitige Schutzeinheit
102: Stromrichter nach dem Stand der Technik
102A: Eingangsfilter
102B: 3-phasiger AC-DC-Wandler
102C: isolierter DC-DC-Wandler
103: Ausgangsmodul
104: Steuerungsmodul
104A,104B: Steuergeräte
105: Software-Modul
105A: Benutzerschnittstelle
105B: Kommunikationssteuerungsmodul
105C: tragbare elektronische Geräte
105D: Kommunikationsnetz
105E: Benutzergerät, das über das Stromnetz 101A betrieben wird
106: Elektrofahrzeug (EV)
201: erste Stufe des isolierten DC-DC-Wandlers
202: zweite Stufe des isolierten DC-DC-Wandlers nach dem Stand der Technik
203: Zwischenstufe des isolierten DC-DC-Wandlers
200A: Ladegerät
200B: bidirektionaler Stromrichter
204: zweite Stufe des bidirektionalen Stromrichters
S1-S8, S10, S11: Leistungsumwandlungsschalter
S9: Spannungswahlschalter
D5, D6: Dioden
C1, C2: Kondensatoren
T1, T2: Transformatoren
V1ac1, V1ac2T1, T2: Spannungen auf den Primärseiten der Transformatoren
V2ac1 V2ac2T1, T2: Spannungen auf den Sekundärseiten der Transformatoren
Vac: AC Spannung vom/zum Stromnetz
Vdc: DC Spannung von/zu EV
Idc: DC Strom

Claims

Ein bidirektionaler Leistungswandler (200B), der Folgendes umfasst: o einen isolierten DC-DC-Wandler (102C), der Folgendes umfasst: ■ eine erste Stufe (201), die in der Lage ist, eine Gleichspannung (V1) in Hochfrequenz-Wechselspannungen (V1_ac1, V1_ac2) jeweils mit einer Amplitude V und umgekehrt umzuwandeln, wobei die Hochfrequenz-Wechselspannungen (V1_ac1, V1_ac2) an Primärseiten von Hochfrequenztransformatoren (T1, T2) einer Zwischenstufe (203) des isolierten Gleichspannungswandlers (102C) anliegen; gekennzeichnet durch: ■ eine zweite Stufe (204), die in der Lage ist: ■ Umwandeln von Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) jeweils mit einer Amplitude V, die an Sekundärseiten der Transformatoren (T1, T2) der Zwischenstufe (203) anliegen, in eine Gleichspannung (Vdc), wobei eine Amplitude der Gleichspannung (Vdc) gleich einer von V, 2V und 4V ist; und ■ Umwandlung der Gleichspannung (Vdc) in die Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) jeweils mit der Amplitude V; und ■ die Zwischenstufe (203), die mit der ersten Stufe (201) und der zweiten Stufe (204) elektrisch gekoppelt ist und die Transformatoren (T1, T2) umfasst, wobei ein Windungsverhältnis jedes der Transformatoren (T1, T2) gleich einem Verhältnis der an den Primärseiten der Transformatoren (T1, T2) anliegenden Hochfrequenz-Wechselspannungen (V1_ac1, V1_ac2) und der an den Sekundärseiten der Transformatoren (T1, T2) anliegenden Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) ist.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach Anspruch 1, wobei die zweite Stufe (204) als AC-DC-Wandler mit drei Zweigen ausgebildet ist.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die zweite Stufe (204) mindestens vier Leistungsumwandlungsschalter (S5-S8) umfasst.
Bidirektionaler Leistungswandler (200B) nach Anspruch 3, wobei die zweite Stufe (204) so konfiguriert ist, dass sie in einer Leistungsumwandlungsbetriebsart arbeitet und die Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) in die Gleichspannung (Vdc) umwandelt.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die zweite Stufe (204) sechs Leistungsumwandlungsschalter (S5-S8, S10, S11) umfasst.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach Anspruch 5, wobei die zweite Stufe (204) so konfiguriert ist, dass sie in einer Leistungsumkehrbetriebsart arbeitet und die Gleichspannung (Vdc) in die Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) umwandelt.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach einem der Ansprüche 3 und 5, wobei die zweite Stufe (204) Kondensatoren (C1, C2) umfasst, die elektrisch parallel zu den Leistungsumwandlungsschaltern (S5-S8, S10, S11) geschaltet sind.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach Anspruch 7, wobei die zweite Stufe (204) einen Spannungswahlschalter (S9) umfasst, der elektrisch mit den Kondensatoren (C1, C2) verbunden ist.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach Anspruch 8, wobei die Transformatoren (T1, T2), wenn sie in Phase miteinander sind, und der Spannungswahlschalter (S9), wenn er sich in einem geschlossenen Zustand befindet, die zweite Stufe (204) in die Lage versetzen, die Gleichspannung (Vdc) mit einer Amplitude 4V zu erzeugen, die den Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) jeweils mit der Amplitude V entspricht.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach Anspruch 8, wobei die Transformatoren (T1, T2), wenn sie in Phase miteinander sind, und der Spannungswahlschalter (S9), wenn er sich in einem offenen Zustand befindet, die zweite Stufe (204) in die Lage versetzen, die Gleichspannung (Vdc) mit einer Amplitude 2V zu erzeugen, die den Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) jeweils mit der Amplitude V entspricht.
Bidirektionaler Stromrichter (200B) nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei die Transformatoren (T1, T2), wenn sie zueinander phasenverschoben sind, die zweite Stufe (204) in die Lage versetzen, die Gleichspannung (Vdc) mit einer Amplitude V zu erzeugen, die den Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) jeweils mit der Amplitude V entspricht.
Eine Ladevorrichtung (200A) zum Übertragen von Energie zwischen einem elektrischen Fahrzeug (106) und einem Stromnetz, wobei die Ladevorrichtung (200A) umfasst: - den bidirektionalen Stromrichter (200B) nach einem der Ansprüche 1-11; - ein netzseitiges Modul (101), das in der Lage ist: o Empfangen einer Wechselspannung (Vacgrid) oder einer Gleichspannung (Vdcgrid) aus dem Stromnetz; und o Lieferung der Wechselspannung (Vacgrid) oder der Gleichspannung (Vdcgrid) an das Stromnetz; und - ein fahrzeugseitiges Modul (103), das in der Lage ist: o Empfangen der Gleichspannung (Vdc) von dem Elektrofahrzeug (106); und o Lieferung der Gleichspannung (Vdc) an das Elektrofahrzeug (106), - und wobei das fahrzeugseitige Modul (103) über den bidirektionalen Stromrichter (200B) mit dem netzseitigen Modul (101) elektrisch gekoppelt ist.
Verfahren (700) zum Übertragen von Energie zwischen einem Elektrofahrzeug (106) und einem Stromnetz unter Verwendung der Ladevorrichtung (200A) nach Anspruch 12, umfassend: - Erfassen (701) der physikalischen Verbindung des Elektrofahrzeugs (106) mit dem fahrzeugseitigen Modul (103) der Ladevorrichtung (200A); und - selektives Betreiben (702) des bidirektionalen Leistungswandlers (200B) der Ladevorrichtung (200A) in einem der Betriebsmodi Leistungsumwandlung und Leistungsumkehr.
Verfahren (700) nach Anspruch 13, wobei die Leistungsumwandlungs-Betriebsart des bidirektionalen Leistungswandlers (200B) die Umwandlung der vom Stromnetz empfangenen Wechselspannung (Vacgrid) in die Gleichspannung (Vdc) mit einer der Amplituden V, 2V und 4V umfasst, und wobei die Gleichspannung (Vdc) dem Elektrofahrzeug (106) über das fahrzeugseitige Modul (103) der Ladevorrichtung (200A) zum Laden des Elektrofahrzeugs (106) bereitgestellt wird.
Verfahren (700) nach Anspruch 13, wobei die Leistungsinversions-Betriebsart des bidirektionalen Leistungswandlers (200B) die Umwandlung der von dem Elektrofahrzeug (106) empfangenen Gleichspannung (Vdc) in die Hochfrequenz-Wechselspannungen (V2_ac1, V2_ac2) umfasst, die jeweils eine Amplitude V haben, die der Zwischenstufe (203) des bidirektionalen Leistungswandlers (200B) zugeführt wird, wobei die von dem Elektrofahrzeug (106) empfangene Gleichspannung (Vdc) eine von V, 2V und 4V ist.