DE202014102494U1

DE202014102494U1 - Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie

Info

Publication number: DE202014102494U1
Application number: DE202014102494.8U
Authority: DE
Original assignee: Aradex AG
Current assignee: Aradex AG
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-08-28
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: CN204179737U

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bereitstellung von Energie mit einem dreiphasigen Wechselrichter (2), wobei jede Phase dieses Wechselrichters (2) als Hochsetzsteller für Gleichspannungen betrieben ist, und wobei an die Phasen des Wechselrichters (2) jeweils eine Energieerzeugungseinheit (3) oder ein Energiespeicher (4a, 4b) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie.
Derartige Vorrichtungen sind insbesondere Bestandteil von Antriebssystemen, die vorteilhaft in hybridelektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden.
Mit hybridelektrischen Fahrzeugen wird eine neue Antriebstechnologie als Alternative zu allen mit Verbrennungsmotoren betriebenen Kraftfahrzeugen bereitgestellt, die eine Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und des Schadstoffausstoßes bei Kraftfahrzeugen ermöglicht. Typischerweise sind derartige Hybridantriebe Antriebssysteme, bei welchen Verbrennungsmotoren mit Elektromotoren, Generatoren, Getrieben und Energiespeichern wie zum Beispiel Batterien kombiniert werden. Je nach Zuordnung der Komponenten können verschiedene Varianten von Hybridantrieben realisiert werden, die leistungsverzweigte Hybride, kombinierte Hybride, serielle Hybride und parallele Hybride bilden.
Ein wesentlicher Vorteil derartiger Hybridantriebe besteht darin, dass der jeweilige Energieerzeuger, der üblicherweise von einem Verbrennungsmotor gebildet ist, kleiner dimensioniert werden kann, da er nicht mehr auf kurze Leistungsspitzen der Anwendung ausgelegt werden muss, sondern auf eine über einen längeren Zeitraum gemittelte Leistung ausgelegt werden kann. Dies beruht darauf, dass die Spitzenleistungen dem Energiespeicher, insbesondere einer Batterie des Hybridantriebs, entnommen werden können. Damit können der Treibstoffverbrauch und Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen erheblich reduziert werden.
Besonders bei Anwendungen, wo der Unterschied zwischen Spitzenleistung und mittlerer Leistung hoch ist, sind demnach die Vorteile von Hybridantrieben besonders groß. Bei längerem Betrieb mit näherungsweise konstanter mittlerer Geschwindigkeit kann der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors so gelegt werden, dass er nahe dem optimalen Betriebspunkt liegt und somit auch einen nahezu optimalen Wirkungsgrad aufweist.
Beim Abbremsen geht die überschüssige Energie nicht durch Wärme verloren, sondern kann in den Energiespeicher zurückgespeist werden.
Besonders vorteilhaft können derartige Hybridantriebe bei Nutzfahrzeugen oder Bussen eingesetzt werden. Generell sind die Anwendungen nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt. Vielmehr können Hybridantriebe auch in Fähren oder Geräten wie Kälteerzeugungseinheiten und Betonmischern zum Einsatz kommen.
Bekannte Hybridantriebe arbeiten mit einem Verbrennungsmotor als Energieerzeugungseinheit, wobei die mit dem Verbrennungsmotor motorisch erzeugte mechanische Energie mittels eines Generators und eines Wechselrichters in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Wechselrichter wandelt dabei die dreiphasige Ausgangspassung des Generators in eine Gleichspannung. Diese Gleichspannung bildet eine Zwischenkreisspannung für Motorwechselrichter, an welche Elektromotoren zum Antrieb von Achsen des jeweiligen Kraftfahrzeugs angeschlossen sind. Energiespeicher wie Batterien sind über DC/DC-Wandler an den Zwischenkreis angeschlossen. Auch das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs kann über DC/DC-Wandler an den Zwischenkreis angeschlossen werden. Diese DC/DC-Wandler arbeiten als Hochsetzsteller, die die niedrigen Spannungen der Energiespeicher beziehungsweise des Bordnetzes auf die höhere Zwischenkreisspannung wandeln.
Nachteilig hierbei ist, dass derartige DC/DC-Wandler zusätzlich benötigte leistungselektronische Geräte darstellen, die einerseits zusätzlichen Bauraum beanspruchen und andererseits die Kosten des Hybridantriebs erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten bereitzustellen, welche bei geringem Kostenaufwand eine hohe Funktionalität aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie mit einem dreiphasigen-Wechselrichter, wobei jede Phase dieses Wechselrichters als Hochsetzsteller für Gleichspannungen betrieben ist. An jede der Phasen des Wechselrichters kann eine Energieerzeugungseinheit oder ein Energiespeicher angeschlossen sein.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit äußerst geringem konstruktiven Aufwand ein Energiemanagement insbesondere für ein Antriebssystem, wie es beispielsweise in mobilen Hybridantrieben zum Einsatz kommt, durchgeführt werden.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die für das Energiemanagement erforderlichen Einheiten, nämlich Energieerzeugungseinheit einerseits und Energiespeicher andererseits, direkt an die Phasen eines dreiphasigen Wechselrichters anzuschließen, das heißt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nur ein Wechselrichter als einzige Leistungselektronik-Komponente benötigt. Damit entfallen die bislang benötigten separaten DC/DC-Wandler, so dass der Kostenaufwand bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber bekannten Systemen erheblich reduziert ist.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass für diese ein Standardgerät als Wechselrichter verwendet werden kann, das heißt es sind keine Hardware-Änderungen des Wechselrichters vorzunehmen. Vielmehr ist für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur eine spezielle Firmware vorzusehen, das heißt es ist lediglich eine Softwareanpassung für den Wechselrichter erforderlich.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Unabhängigkeit der Leistungselektronik, das heißt des Wechselrichters, gegenüber den angeschlossenen energieerzeugenden und energiespeicherenden Einheiten, was daran liegt, dass das Gleichspannungsniveau von Energieerzeugern und Energiespeichern nahezu beliebig ist, solange es unter der Zwischenkreisspannung (abzüglich einer kleinen Verlustspannung) bleibt. So können Neuauslegungen des Systems ohne Hardwareanpassungen des Wechselrichters vorgenommen werden, insbesondere um auch Neuentwicklungen in diesem Bereich in die Vorrichtung zu integrieren. Dies gilt insbesondere für Batterien und andere Energiespeiche, die in den nächsten Jahren einige Innovationszyklen durchlaufen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Wechselrichter anders als üblich eingesetzt, nämlich derart, dass dessen drei Phasen als Hochsetzsteller wirken. Damit können allein mit dem Wechselrichter, das heißt ohne Einsatz von separaten DC/DC-Wandlern, tiefere Gleichspannungen der angeschlossenen Energieerzeugungseinheit und Energiespeicher in eine höhere Spannung gewandelt werden. Besonders vorteilhaft werden mit den Hochsetzstellern Gleichspannungen von den Energieerzeugungseinheiten und/oder den Energiespeichern auf eine gemeinsame Zwischenkreisspannung transformiert.
Diese Zwischenkreisspannung bildet dann vorteilhaft den Zwischenkreis eines Antriebssystems, an welchen Antriebsmotoren zum Antrieb von Aggregaten oder spezifisch Rädern von Fahrzeugen angeschlossen werden können.
Dabei können generell die einzelnen Gleichspannungen unterschiedlich ausgebildet sein, wobei die einzelnen Gleichspannungen jeweils kleiner sind als die Zwischenkreisspannungen abzüglich einer Verlustspannung.
Je nach Applikation können unterschiedliche Kombinationen von Energieerzeugungseinheiten und Energiespeichern an die Phasen des Wechselrichters angeschlossen werden. So kann beispielsweise eine Energieerzeugungseinheit mit zwei Energiespeichern, die identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein können, kombiniert werden. Ebenso können zwei Energieerzeugungseinheiten, die identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein können, mit einem Energiespeicher kombiniert werden.
Vorteilhaft hierbei ist, dass an unterschiedlichen Phasen des Wechselrichters angeschlossene Energieerzeugungseinheiten unabhängig voneinander sind und parallel Energie in den von der Zwischenkreisspannung gebildeten Zwischenkreis einspeisen können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Auswahl geeigneter Energieerzeugungseinheiten und Energiespeicher flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden.
Beispielsweise kann als Energieerzeugungseinheit eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Kombination aus einem Hubkolben-Verbrennungsmotor, einem dreiphasigen Generator und einer Gleichrichterschaltung vorgesehen sein.
Ebenso kann als Energieerzeugungseinheit eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Kombination aus einem turbinenbasierten Verbrennungsmotor, einem dreiphasigen Generator und einer Gleichrichterschaltung vorgesehen sein.
Weiterhin kann als Energieerzeugungseinheit eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Kombination aus einem Stirling-Motor, einem dreiphasigen Generator und einer Gleichrichterschaltung vorgesehen sein.
Generell dient hierbei die Gleichrichterschaltung dazu, die Wechselspannung des Generators in eine Gleichspannung zu wandeln, die dann mit dem Hochsetzsteller in die Zwischenkreisspannung umgesetzt werden kann.
Vorteilhaft ist die Gleichrichterschaltung von einer passiven B6-Diodengleichrichterbrücke gebildet.
Weiter vorteilhaft weist die Energieerzeugungseinheit optional einen Glättungskondensator auf.
Mit diesem Glättungskondensator kann auf einfache Weise eine in der gleichgerichteten Spannung noch vorhandene Welligkeit beseitigt werden.
Schließlich weist die Energieerzeugungseinheit optional eine aktive PFC Regelung auf.
Eine derartige PFC-(power factor correction)Regelung kommt vorteilhaft dann zum Einsatz, wenn, wie insbesondere bei der Verwendung von Verbrennungsmotoren für die Energieerzeugungseinheiten der Fall, durch die Gleichrichtung der Generatorspannung die Generatorströme nicht mehr sinusförmig verlaufen, wodurch der Wirkungsgrad des Generators verschlechtert wird und unerwünschte Oberwellen erzeugt werden. Derartige Oberwellen sind auch dann unerwünscht, wenn die Spannung in das öffentliche Stromnetz zurückgespeist wird, da Netzbetreiber derartige Oberwellen nur in beschränktem Maß zu lassen. Diese unerwünschten Effekte werden mit der PFC Regelung eliminiert oder zumindest reduziert.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist als Energieerzeugungseinheit eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Brennstoffzelle vorgesehen.
Generell sind als Alternative hierzu Photovoltaik-Anlagen auf dem Dach eines Fahrzeugs denkbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als bidirektionaler Energiespeicher eine energieorientierte oder leistungsorientierte Hochvoltbatterie vorgesehen.
Alternativ können als Energiespeicher Supercap-Speicher oder Kondensatoren-Speicher eingesetzt werden.
Dabei ist wenigstens ein elektrischer Antriebsmotor über wenigstens einen weiteren Wechselrichter aus dem Zwischenkreis mit der Zwischenkreisspannung gespeist.
Zudem kann wenigstens ein Frequenzumrichter zum Betrieb eines Aggregats vorgesehen sein, welcher aus dem Zwischenkreis mit der Zwischenkreisspannung gespeist ist.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung Bestandteil eines Antriebssystems.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung Bestandteil eines Antriebssystems in einem hybridelektrischen Fahrzeug.
Dabei kann das Fahrzeug ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen sein. Weiterhin können derartige Fahrzeuge von schweren Nutzfahrzeugen wie Raupenbagger oder Radladern gebildet sein, wodurch das häufige Abbremsen und Anfahren ein großes Potenzial zur Rückgewinnung (Rekuperation) von Bremsenergie besteht.
Weiterhin können die Fahrzeuge als Nutzfahrzeuge im Nahverkehr oder Stadtverkehr ausgebildet sein, wobei diese im letzteren Fall beispielhaft als Straßenkehrmaschinen ausgebildet sein können.
Weitere Beispiele sind Fahrzeuge für Zustelldienste oder auch Shuttle-Busse im Flughafenbereich.
Weiterhin können die Fahrzeuge von Bussen im Stadtverkehr gebildet sein. Derartige Busse können Energie aus Oberleitungen in Form von Gleich- oder Wechselspannungen erhalten. Ist die Energiezuführ über eine solche Oberleitung unterbrochen, kann das Antriebssystem Energie aus den Energiespeichern nutzen.
Schließlich kann das Fahrzeug ein Wasserfahrzeug, insbesondere eine Fähre sein.
Diese Anwendung ist bereits deshalb von Bedeutung, da aktuell bereits in Hafenbereichen der Einsatz von Verbrennungsmotoren nur noch eingeschränkt möglich oder bereits völlig verboten ist.
Generell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für Applikationen außerhalb des Fahrzeugbereichs eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Antriebssysteme, die Bestandteil eines Geräts zur Kälteerzeugung oder eines Betonmischers sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Schematische Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2: Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Bestandteil eines Antriebssystems eines hybridelektrischen Stadtbusses.
3: Beispiel einer Hochsetzstellerschaltung für die Vorrichtung gemäß 2.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau oder erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anhand einer beispielhaften Konfiguration. Die Vorrichtung 1 umfasst als einzige leistungselektronische Komponente zur Durchführung eines Energiemanagements einen dreiphasigen Wechselrichter 2. Der Wechselrichter 2 weist für jede Phase einen Anschluss 2a auf. An die erste Phase des Wechselrichters 2 ist eine Energieerzeugungseinheit 3 in Form einer unidirektionalen Energieeinspeisung angeschlossen. An die weiteren Phasen ist jeweils ein bidirektionaler Energiespeicher 4a, 4b angeschlossen.
Durch eine geeignete Firmware-Anpassung arbeiten die einzelnen Phasen des Wechselrichters 2 jeweils als Hochsetzsteller. Die Energiespeicher 4a, 4b können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Beispiele für derartige Energiespeicher 4a, 4b sind energie- oder leistungsorientierte Hochvoltbatterien 9. Alternativ können Kondensator-Speicher oder Supercap-Speicher 13, das heißt elektrolytische Doppelschichtkondensatoren, eingesetzt werden. Als unidirektionale Energieeinspeisung kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor mit einem Generator und einer Gleichrichterschaltung 7 vorgesehen sein. Diese Vorrichtung 1 ist nicht auf die in 1 dargestellte Kombination beschränkt. Vielmehr können auch zwei unidirektionale Energieeinspeisungen vorgesehen sein, die jeweils an eine Phase des Wechselrichters 2 angeschlossen sind. An die verbleibende Phase des Wechselrichters 2 ist dann ein Energiespeicher 4a, 4b angeschlossen. Die unidirektionalen Energieeinspeisungen können identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein.
Jede Phase des Wechselrichters 2 arbeitet als Hochsetzsteller derart, dass sie eine Gleichspannung der angeschlossenen Einheit in eine höhere Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises 5 wandelt. Im Zwischenkreis 5 wird die Zwischenkreisspannung mit einem Kondensator CZK gepuffert (2). Die Zwischenkreisspannung liegt typischerweise im Bereich von 100 VDC bis 700 DC.
Dabei sind die Gleichspannungen immer kleiner als die Zwischenkreisspannungen abzüglich einer kleinen Verlustspannung. Generell können die Gleichspannungen an den einzelnen Phasen des Wechselrichters 2 identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein.
Die unterschiedlichen Phasen des Wechselrichters 2 sind unabhängig voneinander und können so parallel Energie in den Zwischenkreis 5 einspeisen. Dabei arbeitet die Energieerzeugungseinheit 3 wie mit dem Pfeil I in 1 veranschaulicht, unidirektional, das heißt es wird immer nur Energie in den Zwischenkreis 5 eingespeist, nicht aber aus diesem in die Energieerzeugungseinheit 3 rückgeführt. Im Gegensatz hierzu arbeiten die Energiespeicher 4a, 4b, wie mit den Doppelpfeilen II, III in 1 veranschaulicht, bidirektional, das heißt es kann Energie in den Zwischenkreis 5 den Energiespeichern 4a, 4b zugeführt und dort gespeichert werden.
Die Hochsetzsteller des Wechselrichters 2 arbeiten derart, dass die Gleichspannungen der angeschlossenen Einheiten auf eine gemeinsame Zwischenkreisspannung transformiert werden. Diese Zwischenkreisspannung kann dann in weiteren Einheiten genutzt werden, welche beispielsweise elektrische Antriebsmotoren 14 zum Antrieb von Aggregaten oder insbesondere Rädern von Fahrzeugen aufweisen. Desweiteren können derartige Antriebsmotoren zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie Klimaanlagen von Fahrzeugen dienen.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel, bei welchen die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 Bestandteil eines Antriebssystems eines hybridelektrischen Stadtbusses ist, zeigt 2.
Die Anordnung der 2 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit dem dreiphasigen Wechselrichter 2, dessen drei Phasen durch eine geeignete Firmwareanpassung des Wechselrichters 2 als Hochsetzsteller arbeiten. 3 zeigt für eine der Phasen die hierfür verwendete Hochsetzstellerschaltung, wobei einzelne Komponenten dieser Schaltung auch in 2 dargestellt sind. Die Schaltung umfasst eine Doppelanordnung von einem Schalt-Transistor T1, T2 und einer Diode D1, D2. Weiterhin sind eine Drossel L1 und ein Kondensator C1 vorgesehen. Schließlich ist ein Zwischenkreis-Kondensator CZK vorgesehen.
Die anliegende Gleichspannung UC1, die typisch von etwa 10 VDC bis fast zur positiven Zwischenkreisspannung UZK+ betragen kann, kann mit dem Kondensator C1 geglättet werden. Die Abdeckung des Spannungsbereichs ist durch eine Taktung der Schalttransistoren T1, T2 möglich. Über die Drossel L1 wird die Gleichspannung UC1 durch den Hochsetzsteller auf die Zwischenkreisspannung UZK transformiert, wobei Energie in den Zwischenkreis 5 fließt und dabei den Zwischenkreis-Kondensator CZK lädt. Dabei kann die Energie auch in umgekehrter Richtung fließen. Als Beispiel sind in 2 einzelne Spannungswerte, die an einzelnen Komponenten der Anordnung anstehen, angegeben.
An die Phase 1 des Wechselrichters 2 ist über die Drossel L1 als unidirektionale Energieeinspeisung ein Generator in Form eines Synchrongenerators 6 angeschlossen, der von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor angetrieben ist (2). Über eine Gleichrichterschaltung 7 in Form einer B6-Diodengleichrichterbrücke wird aus der dreiphasigen Generatorspannung eine pulsierende Gleichspannung erzeugt, die durch den Kondensator C1 geglättet wird. Da die Generatorspannung des permanenterregten Synchrongenerators 6 mit der Drehzahl steigt, variiert ebenso die korrespondierende Gleichspannung U1. Es muss daher sichergestellt werden, dass die Drehzahl n des Generators unterhalb einer bestimmten Maximaldrehzahl n_MAX bleibt, so dass die Gleichspannung U1 nicht größer ist als die Zwischenkreisspannung U_ZK abzüglich einer kleinen Verlustspannung U_V, die in der Größenordnung 10 VDC liegt.
Über die Drossel L1 wird die Gleichspannung U1 durch den Hochsetzsteller der Phase 1 des Wechselrichters 2 auf die Zwischenkreisspannung U_ZK transformiert, wobei Energie in den Zwischenkreis 5 fließt und dabei den Zwischenkreis-Kondensator CZK lädt.
Alternativ zu Wechselspannungsenergieerzeugern können auch unidirektionale Gleichspannungsenergiequellen verwendet werden. Hierbei ist vor allem die Brennstoffzelle zu nennen, die anstelle des Generators mit Gleichrichter an die Phase 1 des Wechselrichters 2 angeschlossen werden kann. Ein Vorteil einer Brennstoffzelle ist ein hoher Wirkungsgrad. Ein Nachteil ist die lange Aufwärmzeit vor dem Start (je nach Bauart bis zu 1 Stunde). Daher ist auch eine Konfiguration mit Generator und einer Brennstoffzelle statt Batterie sinnvoll, bei der die Brennstoffzelle eine moderate konstante Leistung einspeist.
Insbesondere bei einer Energieerzeugungseinheit 3 mit einem Verbrennungsmotor mit Generator und Gleichrichter verlaufen durch die Gleichrichtung der Generatorspannung die Generatorströme nicht mehr sinusförmig, was den Wirkungsgrad des Generators verschlechtert und zusätzliche unerwünschte Oberwellen erzeugt. Der Wechselrichter 2 kann dem jedoch entgegenwirken mit einer aktiven PFC Steuerung (Power factor correction). Hierbei wird der Stromverlauf so geregelt, so dass im Generator wieder annähernd sinusförmige Ströme auftreten.
Anstelle des Synchrongenerators 6 kann auch ein dreiphasiges Stromnetz 8 angeschlossen werden um die Batterie, zum Beispiel über Nacht, aufzuladen. Dies ist in 2 zusätzlich dargestellt. Für geringe Ladeleistungen und auch speziell als Notlaufeigenschaft kann sogar 1-phasige Spannung mit 1·230 VAC in den Wechselrichter 2 eingespeist und der Ladestrom passend reduziert werden. So ist sogar ein Ladebetrieb an normalen Haushaltssteckdosen möglich.
An die Phase 2 des Wechselrichters 2 ist über die Drossel L2 als bidirektionaler Gleichspannung-Energiespeicher 4a, 4b eine Hochvoltbatterie 9 angeschlossen. Von dieser Hochvoltbatterie 9 wird der Phase 2 des Wechselrichters 2 die Gleichspannung U2 zugeführt. Es gibt derzeit zwei zugelassene Spannungsklassen für Hochvoltbatterien 9 für mobile Anwendungen. Die kleinere Spannungsklasse liegt im Bereich um 320 VDC bis 360 VDC (maximal bis 450 VDC), die höhere Spannungsklasse geht bis 600 VDC (ISO-Standards 6722 und 14572). Durch den Hochsetzsteller des Wechselrichters 2 können beide Spannungsklassen eingesetzt werden. Die Hochvoltbatterie 9 ist mit einer Vorladeschaltung 10 mit Phase 2 des Wechselrichters 2 verbunden. Die Vorladeschaltung 10 dient beim Einschalten der Begrenzung des Einschaltstroms, solange der Zwischenkreiskondensator noch nicht geladen ist. Hierzu wird ein Ladewiderstand 11 in Reihe geschaltet, der anschließend mit einem Schalter 12 überbrückt wird. Der mögliche Energiefluss auf Phase 2 ist bidirektional, das heißt die Hochvoltbatterie 9 kann Energie abgeben und wird dabei entladen oder kann aufgeladen werden, wenn überschüssige Energie im Zwischenkreis 5 anfällt (zum Beispiel durch Rekuparation beim Bremsen). Das Entladen der Hochvoltbatterie 9 ist dabei im Allgemein mit deutlich höherer Leistung möglich als das Laden. Eine normale Hochvoltbatterie 9 eignet sich daher nur bedingt zum Auffangen kurzer energiereicher Bremsmanöver. Allerdings gibt es auch leistungsorientierte Batterien, die eine geringere Kapazität haben, dafür aber für höhere Leistungen und Ströme ausgelegt sind.
Prinzipiell kann eine Vorladeschaltung 10 wie für Phase 2 des Wechselrichters 2 auch im Schaltungsstrang der Phase 1 des Wechselrichters 2 vorgesehen sein.
An die Phase 3 des Wechselrichters 2 ist über die Drossel L3 ein Energiespeicher 4a, 4b in Form eines Supercaps 13, das heißt eines elektrolytischen Supercaps 13 angeschlossen. Von diesem Supercap 13 wird der Phase 3 die Gleichspannung U3 zugeführt.
Im Verhältnis zu einer Hochvoltbatterie 9 können Supercaps 13 kurzzeitig (für mehrere Sekunden) eine erheblich höhere Leistung aufnehmen beziehungsweise abgeben. Sie sind daher geeignet, um kurze Leistungsspitzen in beiden Richtungen (+/–) abzufangen und ergänzen so idealerweise die leistungsschwächeren Batterien, die dafür wiederum eine hohe Energiespeicherfähigkeit haben. Auch hier erfolgt das Einschalten über eine Vorladeschaltung 10 mit Vorladewiderstand 11. Anstelle eines Supercaps 13 könnte auch eine Hochleistungsbatterie angeschlossen werden, welche die an der Phase 2 arbeitende Hochenergiebatterie ergänzt. Alternativ kann aus Redundanzgründen eine baugleiche zweite Batterie angeschlossen werden.
Über den Zwischenkreis 5 werden elektrische Antriebsmotoren 14 für den Stadtbus versorgt. 3 zeigt beispielhaft einen Antriebmotor, der von einem Pulswechselrichter 15 und einer Steuereinheit 16 angesteuert wird.
Die Kopplung der Antriebsmotoren 14 erfolgt über den gemeinsamen Zwischenkreis 5 mit der Spannung U_ZK. Wenn als Antriebsmotor 14 eine permanenterregte oder fremderregte Synchronmaschine verwendet wird, kann der Antriebsmotor 14 beim Bremsen als Generator dienen und Energie in den Zwischenkreis 5 zurückspeisen. Diese wird dann vorzugsweise im leistungsstarken Supercap 13 gespeichert.
Über den Zwischenkreis 5 können weiterhin Frequenzumrichter 17 versorgt werden, die Zusatzaggregate wie Kompressoren von Klimaanlagen oder Servolenkungen ansteuern.
Die elektrischen Antriebsmotoren 14 des Stadtbusses, für welchen die Anordnung gemäß 3 konzipiert ist, weisen typisch Antriebsleistungen im Bereich zwischen 90 kW und 150 kW auf. Diese Spitzenleistungen werden nur bei Beschleunigungen oder Steigungen kurzzeitig benötigt. Im Mittel benötigt der Bus deutlich weniger Leistung (ca. 10 kW bis 30 kW). Der Synchron-Generator kann daher auf die kleinere mittlere Leistung (zum Beispiel 30 kW) ausgelegt werden und liefert diese Leistung beim Fahren. Wird mehr Leistung benötigt, so wird sie der Batterie oder bei sehr hohen, kurzen Leistungsspitzen dem Supercap 13 (Boostbetrieb) entnommen. Wird weniger Leistung benötigt, kann die Batterie oder der Supercap 13 geladen werden.
Eine andere Möglichkeit der Leistungsanpassung bei länger auftretender kleinerer Leistung ist eine an die mittlere Leistung angepasste Drehzahlreduktion des Generators. Bei verminderter Drehzahl sinkt sowohl die Leistung des Verbrennungsmotors als auch die Generatorspannung, was jedoch für den Hochsetzsteller kein Problem darstellt, da dieser immer auf Zwischenkreisniveau transformiert. Der Wirkungsgrad von Generator und Hochsetzsteller wird dadurch nur geringfügig kleiner, insgesamt ergibt sich aber durch den geringeren Treibstoffverbrauch eine Energieeinsparung. Es ist auch denkbar, den Generator komplett abzuschalten und rein aus der Batterie zu fahren (zum Beispiel wenn diese komplett aufgeladen ist).
Die beim Bremsen anfallende Bremsenergie kann kurzzeitig im Supercap 13 gespeichert werden, der sehr hohe Leistungspeaks abfangen kann. Längerfristig kann diese Energie dann vom Supercap 13 in die Batterie übertragen werden.
Für einen so betriebenen Bus ergeben sich im Stadtverkehr Energiekosteneinsparungen von mindestens ca. 20% gegenüber einem herkömmlichen Bus mit Verbrennungsmotorantrieb. Zusätzlich werden die Schadstoffemissionen erheblich gesenkt. Besonders in Großstädten und Ballungszentren sind hybridelektrische Busse daher von großem Vorteil. Bei ausreichend großer Batterie kann der Stadtbetrieb sogar rein elektrisch erfolgen und der Generator wird nur bei Überlandfahrten dazugeschaltet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Wechselrichter
2a: Anschluss
3: Energieerzeugungseinheit
4a: Energiespeicher
4b: Energiespeicher
5: Zwischenkreis
6: Synchrongenerator
7: Gleichrichterschaltung
8: Stromnetz
9: Hochvoltbatterie
10: Vorladeschaltung
11: Ladewiderstand
12: Schalter
13: Supercap
14: Antriebsmotor
15: Pulswechselrichter
16: Steuereinheit
17: Frequenzumrichter
I: Pfeil
II, III: Doppelpfeil
T1, T2: Schalttransistor
D1, D2: Diode
C1: Kondensator
L1: Drossel
CZK: Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO-Standards 6722 [0065]
14572 [0065]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bereitstellung von Energie mit einem dreiphasigen Wechselrichter (2), wobei jede Phase dieses Wechselrichters (2) als Hochsetzsteller für Gleichspannungen betrieben ist, und wobei an die Phasen des Wechselrichters (2) jeweils eine Energieerzeugungseinheit (3) oder ein Energiespeicher (4a, 4b) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Hochsetzstellern Gleichspannungen von den Energieerzeugungseinheiten (3) und/oder den Energiespeichern (4a, 4b) auf eine gemeinsame Zwischenkreisspannung transformiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Gleichspannungen unterschiedlich ausgebildet sein können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Gleichspannungen jeweils kleiner sind als die Zwischenkreisspannungen abzüglich einer Verlustspannung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieerzeugungseinheit (3) eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Kombination aus einem Hubkolben-Verbrennungsmotor, einem dreiphasigen Generator und einer Gleichrichterschaltung (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieerzeugungseinheit (3) eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Kombination aus einem turbinenbasierten Verbrennungsmotor, einem dreiphasigen Generator und einer Gleichrichterschaltung (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieerzeugungseinheit (3) eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Kombination aus einem Stirling-Motor, einem dreiphasigen Generator und einer Gleichrichterschaltung (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (7) von einer passiven B6-Diodengleichrichterbrücke gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinheit (3) zusätzlich einen Glättungskondensator aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungseinheit (3) zusätzlich eine aktive PFC-Regelung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieerzeugungseinheit (3) eine unidirektionale Energieeinspeisung in Form einer Brennstoffzelle vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieerzeugungseinheit (3) eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach eines Fahrzeugs vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an unterschiedlichen Phasen des Wechselrichters (2) angeschlossene Energieerzeugungseinheiten (3) unabhängig voneinander sind und parallel Energie in den von der Zwischenkreisspannung gebildeten Zwischenkreis (5) einspeisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als bidirektionaler Energiespeicher (4a, 4b) eine energieorientierte oder leistungsorientierte Hochvoltbatterie (9) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als bidirektionaler Energiespeicher (4a, 4b) ein Supercap-Speicher (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als bidirektionaler Energiespeicher (4a, 4b) ein Kondensator-Speicher vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese Bestandteil eines Antriebssystems ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrischer Antriebsmotor (14) über wenigstens einen weiteren Wechselrichter (2) aus dem Zwischenkreis (5) mit der Zwischenkreisspannung gespeist ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Frequenzumrichter (17) zum Betrieb eines Aggregats vorgesehen ist, welcher aus dem Zwischenkreis (5) mit der Zwischenkreisspannung gespeist ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass diese Bestandteil eines Antriebssystems eines hybridelektrischen Fahrzeugs ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Nutzfahrzeug, ein Fahrzeug für Zustelldienste oder ein Bus ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Wasserfahrzeug, insbesondere eine Fähre ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem Bestandteil eines Geräts zur Kälteerzeugung oder eines Betonmischers ist.