DE102022112903B4 - Verfahren zur erhöhung der lebensdauer von wandlerschaltern sowie system - Google Patents

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wandlerschaltern (Q1, Q2, Q3, Q4) in einem System (10) umfassend einen Generator (PV), der gemeinsam mit einem die Wandlerschalter (Q1, Q2, Q3, Q4) umfassenden DC/DC-Wandler (12) an einem DC-Bus (DC+, DC-) angeschlossen ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:• Feststellen eines Systemzustands, in dem elektrische Leistung des Generators (PV) zur Verfügung steht, für die keine Übertragung über den DC/DC-Wandler (12) und keine Ausgabe an weitere Teilnehmer des DC-Busses (DC+, DC-) vorgesehen ist, und• Betreiben des DC/DC-Wandlers (12) während des festgestellten Systemzustands derart, dass Verlustleistung in dem DC/DC-Wandler (12) erzeugt wird, ohne dass Leistung über den DC/DC-Wandler (12) übertragen wird.Die Anmeldung betrifft weiter ein System mit einem Generator (PV) und einem die Wandlerschalter (Q1, Q2, Q3, Q4) aufweisenden DC/DC-Wandler sowie eine Energieerzeugungsanlage mit einem solchen System.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wandlerschaltern sowie ein System mit einem Generator und einen die Wandlerschalter aufweisenden DC/DC-Wandler.
  • Hintergrund
  • Für Energieerzeugungsanlagen, insbesondere PV-Anlagen (PV: Photovoltaik), finden Leistungswandler Anwendung, welche getaktete Halbleiterschalter, sogenannte Wandlerschalter, aufweisen können. Für solche Halbleiterschalter führen Temperaturschwankungen zu einer reduzierten Lebensdauer.
  • In EP 2 600 510 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein elektrischer Leistungswandler so angesteuert wird, dass zusätzlich zu einem Ausgangsstrom ein Strom erzeugt wird, der den Ausgangsstrom nicht beeinflusst und zugleich Wandlerschalter auf eine vorgegebene Zieltemperatur erwärmt.
  • Das Dokument US 2003 / 0 057 914 A1 zeigt eine Leistungsversorgung für einen Elektromotor, bei der eine erste Gleichspannungsquelle mit Eingangsanschlüssen einer Wechselrichter-Schaltung und eines zweite Gleichspannungsquelle mit einem Neutralpunkt des durch die Wechselrichter-Schaltung betriebenen Elektromotors und einem der Eingangsanschlüssen verbunden sind, wobei eine Erwärmungsfunktion für die zweite Gleichspannungsquelle oder Komponenten der Wechselrichter-schaltung vorgesehen ist.
  • Die Schrift DE 10 2016 113 873 A1 offenbart ein Verfahren zur PWM-Ansteuerung eines DC/DC-Wandlers, bei dem die Schaltfrequenz geändert wird, wenn eine Ausgangsstromschwelle und eine Temperaturschwelle von Wandlerschaltern überschritten wird. In der Schrift US 2011 / 0 309 776 A1 wird die Schaltfrequenz zusätzlich hierzu genutzt, um eine Schaltertemperatur einer Wandlerschaltung auf eine Zieltemperatur zu regeln.
  • Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer von Wandlerschaltern zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 sowie durch eine Energieerzeugungsanlage gemäß Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Übersicht
  • In einem System ist ein Generator gemeinsam mit einem DC/DC-Wandler an einen DC-Bus angeschlossen. Bei dem Generator handelt es sich beispielsweise um einen PV-Generator. Der DC/DC-Wandler weist Wandlerschalter in Form von Halbleiterschaltern auf. Der DC/DC-Wandler ist zum Beispiel dazu vorgesehen, elektrische Leistung von dem DC-Bus an einen DC-Energiespeicher, zum Beispiel eine Batterie, oder in Gegenrichtung zu übertragen. Der DC-Speicher kann zum Beispiel dazu vorgesehen sein, von dem Generator erzeugte elektrische Energie aufzunehmen und zu speichern. Ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wandlerschaltern des DC/DC-Wandlers weist die folgenden Schritte auf:
    • • Feststellen eines Systemzustandes, in dem elektrische Leistung des Generators zur Verfügung steht, für die keine Übertragung über den DC/DC-Wandler und keine Ausgabe an weitere Teilnehmer des DC-Busses vorgesehen ist.
    • • Betreiben des DC/DC-Wandlers während des festgestellten Systemzustands derart, dass Verlustleistung in dem DC/DC-Wandler erzeugt wird, ohne dass Leistung über den DC/DC-Wandler übertragen wird.
  • Der festgestellte Systemzustand betrifft also einen Systemzustand, in dem nicht vorgesehen ist, elektrische Energie über den DC/DC-Wandler an den DC-Speicher zu übertragen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die Batterie bereits vollständig geladen ist. Ein weiterer Teilnehmer des DC-Busses kann zum Beispiel ein Wechselrichter sein, der vorgesehen ist, elektrische Energie vom DC-Bus in ein AC-Netz zu übertragen. Bei dem AC-Netz kann es sich zum Beispiel um ein AC-Versorgungsnetz handeln. Weitere Teilnehmer des DC-Busses können z. B. weitere DC-Lasten sein. Ein DC-Bus weist in der Regel zwei Leiter auf, welche auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen und zwischen denen die DC-Busspannung anliegt.
  • Durch das Verfahren wird also ermöglicht, den DC/DC-Wandlers während des festgestellten Systemzustands derart zu betreiben, dass Verlustleistung in dem DC/DC-Wandler erzeugt wird, ohne dass Leistung über den DC/DC-Wandler übertragen wird, so dass die Wandlerschalter in einem gegenüber einem inaktiven Zustand erwärmten Zustand gehalten werden. DC (engl. Direct Current) bezeichnet in dieser Anmeldung Gleichstrom/Gleichspannung. AC (engl. Alternating Current) bezeichnet in dieser Anmeldung Wechselstrom/Wechselspannung.
  • Der Systemzustand, in dem elektrische Leistung des Generators Verfügung steht, und für die keine Übertragung über den DC/DC-Wandler und keine Ausgabe an weitere Teilnehmer des DC-Busses vorgesehen ist, kann zum Beispiel ein Systemzustands sein, bei dem die Batterie bereits vollständig geladen ist, keine oder zumindest keine vollständige Einspeisung der aktuell verfügbaren Leistung über einen an den DC-Bus angeschlossenen Wechselrichter in ein AC-Netz vorgesehen ist und zugleich kein weiterer Teilnehmer des DC-Busses, zum Beispiel weitere DC-Lasten, zur Aufnahme der elektrischen Energie vorgesehen sind. In einem solchen Zustand steht elektrische Energie des Generators gegebenenfalls ungenutzt zur Verfügung und kann ohne Nachteile für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden.
  • In einer Schönwetterperiode einer PV-Anlage kann dies zum Beispiel an einem schönen Tag der Nachmittag bis zum frühen Abend sein, wo die Batterie bereits vorher am Tag durch den PV-Generator geladen wurde und der PV-Generator durch die immer noch vorhandene Sonneneinstrahlung mehr elektrische Energie produzieren kann als zur Versorgung des DC-Bus vorgesehen ist. Das Verfahren ermöglicht dabei das Feststellen eines solchen Betriebszustandes und zugleich einen Betrieb des DC/DC-Wandlers, bei dem keine Energie über den DC/DC-Wandler (z. B. in Richtung DC-Speicher) übertragen wird, sondern der DC/DC-Wandler nur Energie aufnimmt, um die Wandlerschalter durch einen internen Stromfluss im DC/DC-Wandler warm zu halten. Das Warmhalten erfolgt hierbei durch den Stromfluss im DC/DC-Wandler und die hierdurch erzeugte Verlustleistung in Form von Wärme.
  • In einer Ausführungsform weist der DC/DC-Wandler eine erste Halbbrücke mit einer Serienschaltung eines ersten Schalters und eines zweiten Schalters auf. Der erste und der zweite Schalter sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt. Der erste und der zweite Schalter sind Wandlerschalter des DC/DC-Wandlers. Die erste Halbbrücke ist zwischen ausgangsseitigen Anschlüssen des DC/DC-Wandlers angeordnet. Die ausgangsseitigen Anschlüsse sind zum Beispiel dafür vorgesehen, an einem DC-Speicher angeschlossen zu werden. Der DC/DC-Wandler weist weiter eine zweite Halbbrücke mit einer Serienschaltung eines dritten Schalters und eines vierten Schalters auf. Der dritte und der vierte Schalter sind Wandlerschalter des DC/DC-Wandlers und vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt. Die zweite Halbbrücke ist zwischen eingangsseitigen, an den DC-Bus angeschlossenen, Anschlüssen des DC/DC-Wandlers angeordnet. Ein Mittenanschluss der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke sind über eine Drossel miteinander verbunden. Die Mittenanschlüssen der ersten und der zweiten Halbbrücke ist jeweils zwischen den beiden Schaltern angeordnet. Eine Drossel ist als eine elektrische Drossel anzusehen, d. h. als Induktivität ausgeführt. Der erste und der vierte Schalter weisen einen gemeinsamen Anschluss auf, welcher zum Beispiel mit einem der Leiter des DC-Busses verbunden sein kann.
  • Für einen solchen DC/DC-Wandler wird nun in einer Ausführungsform des Verfahrens während des festgestellten Systemzustands der zweite Schalter dauerhaft geschlossen und der erste Schalter dauerhaft geöffnet. Hierdurch wird ein Leistungsfluss über den DC/DC-Wandler wirksam unterbunden. Der dritte Schalter wird während des festgestellten Systemzustands getaktet. Eine Taktung bedeutet, dass der Schalter so angesteuert wird, dass er zeitweise geöffnet und zeitweise geschlossen wird.
  • Durch eine solche Ansteuerung der Schalter wird ermöglicht, dass elektrische Energie aus dem DC-Netz entnommen wird und als Strom, der Verlustleistung erzeugt, innerhalb des DC/DC-Wandlers fließt. Durch den fließenden Strom wird Verlustleistung erzeugt und durch die Verlustleistung werden die Schalter erwärmt. Bei eingeschaltetem drittem Schalter fließt dabei ein Strom über den dritten und den zweiten Schalter und über die Drossel. Bei geöffnetem drittem Schalter fließt ein elektrischer Strom über den zweiten Schalter und den vierten Schalter. Je nach Schaltzustand des vierten Schalters fließt der Strom über eine parallel zum vierten Schalter angeordnete Freilaufdiode oder über den geschlossenen vierten Schalter.
  • In einer Ausführungsform werden zum Betrieb des DC/DC-Wandlers im festgestellten Betriebszustand der dritte und der vierte Schalter getaktet. In einer weiteren Ausführungsform werden der dritte und der vierte Schalter komplementär getaktet. Komplementär getaktet bedeutet, dass in den Zeiträumen, in denen der dritte Schalter geschlossen ist, der vierte Schalter geöffnet ist und umgekehrt. Es ist auch möglich, den vierten Schalter während des festgestellten Systemzustands geöffnet zu halten, da der erwünschte Stromfluss zum Erwärmen der Wandlerschalter auch über die Freilaufdiode des vierten Schalters erfolgen kann.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Taktung des dritten Schalters mit einem solchen Tastgrad, dass ein zulässiger Nennstrom des DC/DC-Wandlers nicht überschritten wird. Beispielsweise wird der dritte Schalter stromgeregelt betrieben und zum Beispiel bei Überschreiten eines unter dem Nennstrom liegenden Abschaltschwellwert geöffnet und bei Unterschreiten einen Einschaltschwellwerts wieder geschlossen. Der durch den DC/DC-Wandler fließende Strom wird bei dem Verfahren durch den Tastgrad des dritten Schalters bestimmt, da nur bei geschlossenem drittem Schalter elektrische Leistung aus dem DC-Netz entnommen wird. Bei komplementärer Taktung des vierten Schalters wird der vierte Schalter mit entsprechendem Tastgrad jedoch komplementär zum dritten Schalter getaktet.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Taktung des dritten Schalters mit einem Tastgrad, der von einer im DC/DC-Wandler gemessenen Temperatur abhängt. Der Tastgrad kann beispielsweise derart gewählt werden, dass eine vorgebbare Zieltemperatur im DC/DC-Wandler angestrebt wird. Es ist auch möglich, bei niedriger Temperatur im DC/DC-Wandler den Stromfluss im festgestellten Systemzustand entsprechend zu erhöhen, um weiterhin eine gewünschte Erwärmung der Wandlerschalter zu erreichen. Beispielsweise kann der oben genannte Abschaltschwellwert und/oder der Einschaltschwellwert als Funktion der gemessenen Temperatur bestimmt werden. Der Tastgrad kann dabei selbstverständlich auch von weiteren Einflussfaktoren abhängen, zum Beispiel von der DC-Busspannung.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Systemzustand in Abhängigkeit von der Spannung des DC-Busses festgestellt. Der festzustellende Systemzustands, bei dem keine Entnahme durch weitere Teilnehmer des DC-Busses vorgesehen ist und zugleich keine Leistungsübertragung über den DC/DC-Wandler vorgesehen ist, lässt sich in Abhängigkeit von der Spannung auf dem DC-Bus ermitteln. Die Spannung auf dem DC-Bus wird zum Beispiel von dem Wechselrichter am DC-Bus, den weiteren Lasten am DC-Bus und/oder dem Generatorbestimmt.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Feststellen des Systemzustandes dem DC/DC-Wandler durch ein Eingangssignal angezeigt. Diese Ausführungsform kann zum Beispiel zur Anwendung kommen, wenn der Systemzustand durch eine Steuereinrichtung festgestellt wird und danach an den DC/DC-Wandler übermittelt wird, wo eine Steuerung des DC/DC-Wandlers die Wandlerschalter des DC/DC-Wandlers gemäß dem beschriebenen Verfahren ansteuert. Die Steuereinrichtung des DC/DC-Wandlers kann dabei als Teil einer Steuereinrichtung des Systems verstanden werden. Diese Ausführungsform kann auch zur Anwendung kommen, wenn der Systemzustand zum Beispiel anhand einer Spannungsmessung auf dem DC-Bus ermittelt wird und an den DC/DC-Wandler übermittelt wird, wo dann eine Steuerung des DC/DC-Wandlers die Wandlerschalter entsprechend dem Verfahren ansteuert. Steuereinrichtungen können Recheneinheiten sein, die zumindest einen Prozessor, Speicher und Kommunikationsschnittstellen aufweisen.
  • Ein System umfasst einen Generator und einen DC/DC-Wandler. Der Generator und der DC/DC-Wandler sind jeweils an einen DC-Bus angeschlossen. Der DC/DC-Wandler weist Wandlerschalter auf, welche durch zur Leistungswandlung durch den DC/DC-Wandler zum Öffnen und Schließen angesteuert werden können. Es ist weiter eine Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen. Die Steuereinrichtung kann dabei beispielsweise in dem DC/DC-Wandler angeordnet sein und/oder auf einer anderen Recheneinheit des Systems angeordnet sein. Die Steuereinrichtung kann auch zum Beispiel verteilt auf dem DC/DC-Wandler und einer oder mehrerer weiterer Recheneinrichtungen des Systems oder entfernt vom System angeordnet sein. Die Steuereinrichtung kann zusätzlich zur Ansteuerung des DC/DC-Wandlers und/oder weiterer Teilnehmer des DC-Busses ausgelegt sein.
  • In einer Ausführungsform des Systems ist der erste Schalter thermisch mit mindestens einem der zweiten, dritten und/oder vierten Schalter gekoppelt. In dem Verfahren fließt der Strom, der zum Erzeugen der Verlustleistung erzeugt wird durch den zweiten, dritten und vierten Schalter. Diese können, also durch die Verlustleistung erwärmt werden. Durch die Kopplung des ersten Schalters mit dem zweiten, dritten und/oder vierten Schalter kann erreicht werden, dass auch der erste Schalter zur Erhöhung seiner Lebensdauer erwärmt wird.
  • In einer Ausführungsform ist der erste Schalter thermisch mit der Drossel als Wärmespeicher gekoppelt. Bei der Ausführung des Verfahrens fließt der Strom zur Erzeugung der Verlustleistung durch die Drossel des DC/DC-Wandlers. Zum Erwärmen des ersten Schalters ist dieser hierbei thermisch an die Drossel gekoppelt, welche als Wärmespeicher dient. Durch kann ebenfalls eine Erwärmung des ersten Schalters erreicht werden.
  • In einer Ausführungsform sind die Wandlerschalter und die Drossel thermisch mit einem gemeinsamen Kühlkörper gekoppelt. Über den gemeinsamen Kühlkörper kann ein gleichmäßiger Wärmeaustausch zwischen den Wandlerschaltern und der Drossel gewährleistet werden und so eine gleichmäßige Erwärmung der Wandlerschalter erreicht werden.
  • In einer Ausführungsform des Systems ist der Generator ein PV-Generator. Das Verfahren ist zur Ausführung eines Systems mit PV-Generator besonders vorteilhaft, da Solarenergie, die durch den PV-Generator erzeugt wird, vorhanden sein kann, wenn der Systemzustand festgestellt wird, bei dem keine oder zumindest keine vollständige Netzeinspeisung der durch den Generator erzeugbaren Leistung möglich oder erwünscht ist und zugleich eine an das System angeschlossene Batterie bereits vollständig geladen ist oder eine weitere Ladung nicht vorgesehen ist. Diese Solarenergie kann dann zur Erwärmung der Wandlerschalter verwendet werden und so die Lebensdauer der Wandlerschalter verlängert werden.
  • Es ist ebenfalls denkbar, dass während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kontinuierlich oder gelegentlich geprüft wird, ob die Bedingung, dass keine andere Verwendung der zur Erwärmung des DC/DC-Wandlers verwendeten Leistung vorgesehen ist, weiterhin erfüllt ist. Wenn dies nicht der Fall ist, kann die Erwärmung beendet oder die zur Erwärmung verwendete Leistung reduziert werden.
  • In einer Ausführungsform des Systems weist der DC/DC-Wandler einen ersten und einen zweiten Teilwandler auf. Die beiden Teilwandler sind jeweils eingangsseitig mit dem DC-Bus verbunden. Bei Feststellen des Systemzustandes ist vorgesehen, die beiden Teilwandler über einen optionalen Koppelschalter ausgangsseitig so miteinander zu verbinden, dass durch die beiden Teilwandler jeweils betragsgleiche, aber zueinander entgegengesetzte Leistungsflüsse übertragen werden. Die Teilwandler können aber auch dauerhaft ohne einen Koppelschalter ausgangsseitig miteinander verbunden sein. Durch die betragsgleichen, aber zueinander entgegengesetzten Leistungsflüsse wird in den Teilwandlern durch die Wandlerschalter Verlustleistung erzeugt und die Wandlerschalter somit in einem erwärmten Zustand gehalten. Dies erfolgt ohne eine Gesamtleistungsübertragung des DC/DC-Wandlers, d. h. ohne dass elektrische Leistung über die Ausgangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers ausgegeben wird. Vorteilhafterweise ist hierbei vorgesehen, die beiden Teilwandler bei der Übertragung von Leistung über den DC/DC-Wandler parallel zu betreiben. Dies bedeutet, dass zum Übertragen von Gesamtleistung über den DC/DC-Wandler beide Teilwandler eingangsseitig an den DC-Bus angeschlossen sind, und dass beide Teilwandler ausgangsseitig an die Ausgangsanschlüsse des DC/DC-Wandlers angeschlossen sind. Über den Koppelschalter werden bei dem festgestellten Systemzustand dann die Ausgangsseiten der Teilwandler so verbunden, dass sie betragsgleiche, jedoch entgegengesetzte Leistungsflüsse jeweils zueinander übertragen. Anstelle eines Koppelschalters können die Teilwandler auch dauerhaft ausgangsseitig parallelgeschaltet sein.
  • Die Anmeldung betrifft weiter eine Energieerzeugungsanlage mit einem der zuvor beschriebenen Systeme sowie einen an den DC-Bus angeschlossenen Wechselrichter zur Einspeisung der durch den Generator erzeugten Leistung in ein Wechselstromnetz. Bei dem Wechselstromnetz handelt es sich bevorzugt um ein AC-Versorgungsnetz.
  • Figurenliste
  • Beispiele der Anmeldung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems mit einem Generator und einem DC/DC-Wandler;
    • 2 schematisch ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wandlerschaltern;
    • 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems mit einem Generator und einem DC/DC-Wandler.
  • Es werden in den Figuren die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente verwendet.
  • Fiqurenbeschreibunq
  • In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems 10 dargestellt, welches den DC-Bus DC+ DC- umfasst, an welchen der Generator PV mit einer Spannung U_PV und der DC/DC-Wandler 12 angeschlossen sind. Der DC-Bus DC+ DC- weist zwei Leiter DC+ und DC- auf, welche auf verschiedenen elektrischen Potenzialen liegen. Zwischen den beiden Leitern des DC-Busses DC+ DC- liegt eine DC-Busspannung U_Bus an. An den DC-Bus DC+ DC- können weitere DC-Bus Teilnehmer angeschlossen sein, welche in 1 nicht dargestellt sind. Bei den weiteren DC-Busteilnehmern kann es sich beispielsweise um einen Wechselrichter handeln, der vorgesehen sein kann, vom Generator PV erzeugte elektrische Leistung in ein AC-Versorgungsnetz einzuspeisen.
  • Der DC/DC-Wandler 12 ist vorgesehen, elektrische Leistung von dem DC-Bus DC+ DC- zu entnehmen, umzuwandeln und beispielsweise in einen an seinen Ausgangsanschlüsse 12A+ 12A- angeschlossenen DC-Speicher Bat zu übertragen, um diese Leistung zu einem späteren Zeitpunkt wieder dem DC-Bus zur Verfügung stellen zu können. Der DC-Speicher Bat weist zwischen seinen Anschlüssen eine Spannung U_Bat auf. Der DC/DC-Wandler weist zwischen seinen Ausgangsanschlüssen 12A+ 12A- eine Serienschaltung eines ersten und eines zweiten Halbleiterschalters Q1, Q2 auf. Parallel zu dieser Serienschaltung des ersten und des zweiten Schalters Q1 und Q2 ist ein Kondensator angeordnet. Zwischen seinen Eingangsanschlüsse, 12E+ 12E- weist der DC/DC-Wandler 12 eine Reihenschaltung eines dritten und eines vierten Halbleiterschalters Q3, Q4 auf. Zwischen seinen Eingangsanschlüssen 12E+ 12E- ist parallel zu der Reihenschaltung des dritten und des vierten Schalters Q3, Q4 ein Kondensator angeordnet. Die Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3, Q4 entsprechen Wandlerschaltern des DC/DC-Wandlers 12 und können intrinsische Freilaufdioden aufweisen oder ihnen sind Freilaufdioden antiparallel geschaltet. Die beiden Reihenschaltungen der Schalter Q1, Q2 und Q3, Q4 entsprechen zwei Halbbrücken des DC/DC-Wandlers 12. Die beiden Halbbrücken sind in der Mitte zwischen den beiden Schaltern durch eine Drossel D verbunden. In Serie zu der Drossel D ist ein Strommesser A angeordnet. Der zweite Schalter Q2 und der vierte Schalter Q4 sind miteinander verbunden, zum Beispiel mit einem Leiter DC- des DC-Busses.
  • 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wandlerschaltern Q1, Q2, Q3, Q4. In einem beispielhaft in 1 oder 3 dargestellten System 10 mit einem DC/DC-Wandler 12 und einem Generator PV, welche beide an einen DC-Bus DC+ DC- angeschlossen sind, kann von dem Generator PV erzeugte elektrische Energie in den DC-Bus DC+ DC- eingespeist werden. Der Generator PV weist eine zwischen seinen Anschlüssen herrschende PV-Spannung U_PV auf. Der DC/DC-Wandler 12 kann dem DC-Bus DC+ DC- elektrische Leistung entnehmen und über seine Ausgangsanschlüsse 12A+ 12A- zum Beispiel an einen DC-Speicher Bat ausgeben.
  • Bei dem Verfahren wird in einem Schritt S1 ein Systemzustand festgestellt, in dem elektrische Leistung des Generators PV auf dem DC-Bus DC+ DC- zur Verfügung steht. Der Systemzustand wird dabei festgestellt, wenn keine Übertragung der elektrischen Leistung über den DC/DC-Wandler 12 vorgesehen ist und zugleich keine Ausgabe der elektrischen Leistung an weitere Teilnehmer des DC-Busses DC+ DC- vorgesehen ist. Weitere Teilnehmer des DC-Busses DC+ DC- können beispielsweise weitere DC-Lasten (nicht dargestellt) und/oder ein Wechselrichter (nicht dargestellt) sein. Der Wechselrichter kann vorgesehen sein, um beispielsweise elektrische Leistung in ein AC-Versorgungsnetz zu einzuspeisen. Es kann sich nun ein Zustand des Systems ergeben, in dem der Generator PV elektrische Leistung erzeugen kann, jedoch keine oder zumindest keine vollständige Übertragung der erzeugbaren Leistung über den Wechselrichter vorgesehen ist. Die Gründe hierfür können beispielsweise regulatorischer Art sein. Zugleich ist es möglich, dass auch keine Übertragung an den DC-Speicher Bat vorgesehen ist, beispielsweise weil der DC-Speicher Bat bereits voll ist. Dies ist ein Beispiel eines in Schritt S1 festgestellten Systemzustandes.
  • In einem Schritt S2 wird nun nach Feststellen des Systemzustandes der DC/DC-Wandler 12 derart betrieben, dass Verlustleistung in dem DC/DC-Wandler 12 erzeugt wird, ohne dass Leistung über den DC/DC-Wandler 12 übertragen wird. Hierdurch wird bewirkt, dass die Wandlerschalter Q1, Q2, Q3, Q4 des DC/DC-Wandlers 12 in einem gegenüber einem inaktiven Zustand erwärmten Zustand gehalten werden. Der erwärmte Zustand wird einerseits durch die Schaltvorgänge und durch den in dem DC/DC-Wandler 12 fließenden Strom und die dadurch erzeugte Verlustleistung bewirkt.
  • Der in Verfahrensschritt S1 festzustellende Systemzustand kann beispielsweise durch Messung der Spannung U_Bus des DC-Busses DC+ DC- erfolgen. Zum Betrieb des DC/DC-Wandlers 12 in Schritt S2 kann nun der erste Schalter Q1 dauerhaft geöffnet werden. Der zweite Schalter Q2 kann dauerhaft geschlossen bleiben. Der dritte Schalter Q3 wird getaktet. Der vierte Schalter Q4 kann zum Beispiel dauerhaft geöffnet sein. Es ist ebenso möglich, den vierten Schalter Q4 zu schließen, wenn der dritte Schalter Q3 in einem Zustand ist, in dem er geöffnet ist. Es wäre also eine komplementäre Taktung des dritten und vierten Schalters, Q3, Q4 möglich. Es ist auch eine nicht komplett komplementäre Taktung des dritten und vierten Schalters Q3, Q4 möglich, sofern der vierte Schalter Q4 zu den Zeiten geöffnet ist, in denen der dritte Schalter Q3 geschlossen ist. Eine mögliche Taktung des dritten Schalters Q3 ist eine Einschaltdauer von 30µs bei 100Hz Taktfrequenz.
  • Im Betrieb in Schritt S2 fließt nun bei geschlossenem dritten Schalter Q3 ein Strom über den dritten Schalter Q3 über die Drossel D und den zweiten Schalter Q2. Wenn der dritte Schalter Q3 dann geöffnet wird, kann der Strom weiter über den Schalter Q4 über die Drossel D wieder zurück zum zweiten Schalter Q2 fließen. Der Stromfluss über den vierten Schalter Q4 kann dabei je nach Schaltertyp entweder über eine antiparallel zum vierten Schalter Q4 angeordnete oder eine intrinsische Freilaufdiode erfolgen oder aber, wenn der Schalter Q4 geschlossen ist, direkt über den geschlossenen Schalter Q4. Hierdurch wird ein Stromfluss über den dritten, zweiten und vierten Schalter Q3, Q2, Q4 erzeugt, ohne dass ein Strom über die Ausgangsanschlüsse 12A+ 12A- des DC/DC-Wandlers 12 fließt. Durch diesen Stromfluss wird Verlustleistung erzeugt, über welchen die Wandlerschalter Q1, Q2, Q3, Q4 erwärmt werden. Da kein direkter Stromfluss über den ersten Schalter Q1 erfolgt, kann dieser beispielsweise über die Drossel D als gemeinsamen Wärmespeicher oder einen gemeinsamen Kühlkörper mit der Drossel D und den Schaltern Q2, Q4, Q3 erwärmt werden. Es ist aber auch denkbar, dass der Wandlerschalter Q1 gemeinsam mit dem Wandlerschalter Q2 in einem Modul verbaut ist und bereits dadurch thermisch mit diesem gekoppelt ist und erwärmt wird.
  • Bei dem in 3 dargestellten System 10 weist der DC/DC-Wandler 12 zwei Teilwandler 14, 16 auf. Der erste Teilwandler 14 und der zweite Teilwandler 16 sind jeweils eingangsseitig mit dem DC-Bus DC+ DC- verbunden. Der Eingangsanschluss 14E+ des ersten Teilwandler 14 und der Eingangsanschluss 16E+ des zweiten Teilwandler 16 sind dabei mit dem Eingangsanschluss 12E+ des DC/DC-Wandlers 12 verbunden. Der Eingangsanschluss 14E- des ersten Teilwandlers 14 und der Eingangsanschluss 16E- des zweiten Teilwandler 16 sindmit dem Eingangsanschluss 12E- des DC/DC-Wandlers 12 verbunden. Die beiden Teilwandler 14, 16 entsprechen dabei ebenfalls DC/DC-Wandlern. In einem Normalbetrieb, also wenn der DC/DC-Wandler 12 elektrische Leistung aus dem DC-Bus DC+ DCentnimmt und an den DC-Speicher Bat überträgt, sind die Teilwandler 14, 16, wie in 3 dargestellt eingangsseitig parallel verschaltet. Ausgangsseitig weist der DC/DC-Wandler 12 für jeden Teilwandler 14, 16 getrennte Ausgangsanschlüsse 12A+, 12A- auf, an die jeweils eine Batterie anschließbar ist. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 14A+ und 16A+ und/oder zwischen den Ausgangsanschlüssen 14A- und 16A- kann optional ein Koppelschalter 18 vorgesehen sein, um eine zeitweise ausgangsseitige Parallelschaltung der Teilwandler 14, 16 zu ermöglichen beziehungsweise diese einpolig oder allpolig ausgangsseitig voneinander zu trennen. Es ist aber auch denkbar, dass die den Teilwandler zugeordneten Ausgangsanschlüsse 12A+, 12A- mit der gleichen Batterie verbunden sind und dadurch die Teilwandler 14, 16 auch ausgangsseitig dauerhaft parallelgeschaltet sind.
  • Im Betrieb von Schritt S2 des Verfahrens werden die Teilwandler 14, 16 über den optionalen Koppelschalter nun ausgangsseitig parallelgeschaltet, sofern sie nicht ohnehin dauerhaft parallelgeschaltet sind, wobei die von einem der Teilwandler 14, 16 ausgegebene elektrische Leistung betragsgleich ist, jedoch jeweils vom anderen Teilwandler aufgenommen wird, sodass über die Ausgangsanschlüssen 12A+ 12A- des DC/DC-Wandlers 12 keine elektrische Leistung ausgetauscht wird. In dem Zustand von S2 wird zwar elektrische Leistung über die Eingangsanschlüsse 12E+ 12E- aufgenommen, jedoch verlaufen weitere Leistungsflüsse komplett innerhalb des DC/DC-Wandlers 12 und es wird keine elektrische Leistung über die Ausgangsanschlüsse 12A+ 12A- ausgetauscht.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    System
    12
    DC/DC-Wandler
    12A+, 12A-
    Ausgangsanschlüsse DC/DC-Wandler
    12E+, 12E-
    Eingangsanschlüsse DC/DC-Wandler
    14
    erster Teilwandler
    14A+, 14A-
    Ausgangsanschlüsse erster Teilwandler
    14E+, 14E-
    Eingangsanschlüsse erster Teilwandler
    16
    zweiter Teilwandler
    16A+, 16A-
    Ausgangsanschlüsse zweiter Teilwandler
    16E+, 16E-
    Eingangsanschlüsse zweiter Teilwandler
    18
    Koppelschalter
    A
    Strommesser
    DC+, DC-
    DC-Bus
    U_Bus
    DC-Busspannung
    Bat
    Batterie
    U_Bat
    Batteriespannung
    PV
    PV-Generator
    U_PV
    PV-Spannung
    D
    Drossel
    Q1, Q2, Q3, Q4
    Wandlerschalter

Claims (15)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Wandlerschaltern (Q1, Q2, Q3, Q4) in einem System (10) umfassend einen Generator (PV), der gemeinsam mit einem die Wandlerschalter (Q1, Q2, Q3, Q4) umfassenden DC/DC-Wandler (12) an einem DC-Bus (DC+, DC-) angeschlossen ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: • Feststellen eines Systemzustands, in dem elektrische Leistung des Generators (PV) zur Verfügung steht, für die keine Übertragung über den DC/DC-Wandler (12) und keine Ausgabe an weitere Teilnehmer des DC-Busses (DC+, DC-) vorgesehen ist, und • Betreiben des DC/DC-Wandlers (12) während des festgestellten Systemzustands derart, dass Verlustleistung in dem DC/DC-Wandler (12) erzeugt wird, ohne dass Leistung über den DC/DC-Wandler (12) übertragen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der DC/DC-Wandler (12) eine erste Halbbrücke mit einer Serienschaltung eines ersten Schalters (Q1) und eines zweiten Schalters (Q2) umfasst, die zwischen ausgangsseitigen Anschlüssen (12A+, 12A-) des DC/DC-Wandlers (12) angeordnet sind, und eine zweite Halbbrücke mit einer Serienschaltung eines dritten Schalters (Q3) und eines vierten Schalters (Q4) umfasst, die zwischen eingangsseitigen, an den DC-Bus (DC+, DC-) angeschlossenen, Anschlüssen (12E+, 12E-) des DC/DC-Wandlers (12) angeordnet sind, wobei Mittenanschlüssen der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke über eine Drossel (D) miteinander verbunden sind und der zweite Schalter (Q2) mit dem vierten Schalter (Q4) einen gemeinsamen Anschluss aufweist, wobei der DC/DC-Wandler (12) während des festgestellten Systemzustands den zweiten Schalter (Q2) dauerhaft schließt und den ersten Schalter dauerhaft öffnet (Q1), während der dritte Schalter (Q3) getaktet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der dritte Schalter (Q3) und der vierte Schalter (Q4) getaktet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Taktung des dritten Schalters (Q3) mit einem solchen Tastgrad erfolgt, dass ein zulässiger Nennstrom des DC/DC-Wandlers (12) nicht überschritten wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Taktung des dritten Schalters (Q3) mit einem Tastgrad erfolgt, der derart gewählt ist, dass eine im DC/DC-Wandler (12) gemessene Temperatur auf eine Zieltemperatur geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feststellen des Systemzustands in Abhängigkeit von der Spannung des DC-Busses (DC+, DC-) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feststellen des Systemzustands dem DC/DC-Wandler (12) durch ein Eingangssignal angezeigt wird.
  8. System (10) umfassend einen Generator (PV) und einen Wandlerschalter (Q1, Q2, Q3, Q4) umfassenden DC/DC-Wandler (12), die gemeinsam an einem DC-Bus (DC+, DC-) angeschlossen sind, umfassend eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
  9. System nach Anspruch 8, wobei der erste Schalter (Q1) thermisch mit mindestens einem der zweiten, dritten und/oder vierten Schalter (Q2, Q3, Q4) gekoppelt ist.
  10. System nach Anspruch 8 oder 9, wobei der erste Schalter (Q1) thermisch mit der Drossel (D) als Wärmespeicher gekoppelt ist.
  11. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Wandlerschalter (Q1, Q2, Q3, Q4) und die Drossel (D) thermisch mit einem gemeinsamen Kühlkörper gekoppelt sind.
  12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Generator (PV) ein PV-Generator (PV) ist.
  13. System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der DC/DC-Wandler (12) einen ersten Teilwandler (14) und einen zweiten Teilwandler (16) umfasst, die eingangsseitig (14E+, 14E-, 16E+, 16E-) jeweils mit dem DC-Bus (DC+, DC-) verbunden sind und dazu eingerichtet sind, bei Feststellen des Systemzustands in einem ausgangsseitig parallelgeschalteten Zustand betragsgleiche, aber zueinander entgegengesetzte Leistungsflüsse zu übertragen, so dass die Wandlerschalter (Q1, Q2, Q3, Q4) des ersten und des zweiten Teilwandlers (14, 16) ohne eine Gesamtleistungsübertragung des DC/DC-Wandlers (12) in einem erwärmten Zustand gehalten werden.
  14. System nach Anspruch 13, wobei das System dazu eingerichtet ist, den ausgangsseitig parallelgeschalteten Zustand über ein zwischen den Ausgangsanschlüssen (14A+, 14A-, 16A+, 16A-) angeordneten Koppelschalter (18) herbeizuführen.
  15. Energieerzeugungsanlage umfassend ein System (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 14 und einen an den DC-Bus (DC+, DC-) angeschlossenen Wechselrichter zur Einspeisung der durch den Generator (PV) erzeugten Leistung in ein Wechselstromnetz.
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