DE202019100805U1 - Dc link - Google Patents
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Abstract
Gleichspannungszwischenkreis aufweisend eine Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit (110) und wenigstens eine von der Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit mit Gleichspannung versorgte Kondensatoranordnung (150) mit einer Nennspannung und einer Entladeschlussspannung, welche größer Null ist. DC intermediate circuit comprising a DC intermediate circuit supply unit (110) and at least one of the DC voltage supply unit DC voltage supplied capacitor arrangement (150) having a nominal voltage and a discharge voltage, which is greater than zero.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungszwischenkreis.The present invention relates to a DC voltage intermediate circuit.
Stand der TechnikState of the art
Gleichspannungszwischenkreise sind im Stand der Technik bekannt. Sie weisen eine oder mehrere Versorgungseinheiten (z.B. geregelter Netzgleichrichter) auf, durch die die Gleichspannung für den Zwischenkreis zur Verfügung gestellt wird. Aus dem Zwischenkreis wird die Leistung beispielsweise über Wechselrichter (sog. Inverter) als Wechselstrom z.B. für elektrische Antriebe entnommen. Zur Spannungsglättung und Pufferung im Zwischenkreis können Kondensatoren (sog. Zwischenkreiskondensator) dienen. Eine solche Lösung mit einer insbesondere als Elektrolytkondensator ausgebildeten Pufferkapazität ist beispielsweise in der
Die Verbraucher bestimmen die Last im Gleichspannungszwischenkreis. Beispielsweise bei Beschleunigungs- oder Abbremsvorgängen von Elektromotoren als Verbraucher werden hohe kurzzeitige Lastspitzen erreicht. Durch diese kurzzeitigen Lastspitzen kann es zu kurzzeitigen Spannungspeaks (Zeitraum wenige Sekunden) kommen. Zur Reduzierung dieser kurzzeitigen Spannungspeaks können Energiespeicher mit hoher Leistungsfähigkeit, z.B. Superkondensatoren oder Doppelschichtkondensatoren, eingesetzt werden, welche zur Spannungsanpassung mit dem Gleichspannungszwischenkreis über einen Gleichspannungswandler gekoppelt werden. Dies ist jedoch aufwendig.The consumers determine the load in the DC intermediate circuit. For example, during acceleration or deceleration processes of electric motors as consumers high short-term peak loads are achieved. These short-term peak loads can lead to short-term voltage peaks (period of a few seconds). To reduce these short-term voltage peaks, high-performance energy storage devices, e.g. Supercapacitors or double-layer capacitors, are used, which are coupled for voltage adjustment with the DC link via a DC-DC converter. However, this is expensive.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung schlägt einen Gleichspannungszwischenkreis gemäß Anspruch 1 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.The invention proposes a DC voltage intermediate circuit according to
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, in dem Gleichspannungszwischenkreis eine Kondensatoranordnung mit einer Ladeschlussspannung, einer Entladeschlussspannung, welche größer Null ist, und einer dazwischen liegenden Nennspannung zu verwenden. Insbesondere werden somit keine herkömmlichen Kondensatoranordnungen aufweisend z.B. Elektrolyt- oder Doppelschichtkondensatoren, deren Entladeschlussspannung Null ist, verwendet. Eine besonders geeignete Kondensatoranordnung hat im entladenen Zustand bei wenigstens 30% Energieinhalt wenigstens 75% der Nennspannung. Vorzugsweise hat die Kondensatoranordnung im entladenen Zustand bei ca. 10% Energieinhalt immer noch ca. 80% der Nennspannung. Die Nennspannung selbst entspricht üblicherweise einem weiten Ladezustandsbereich von ca. 40% bis ca. 70%. Darüber steigt die Ladespannung bis zur Ladeschlussspannung an, darunter sinkt sie bis zur Entladeschlussspannung ab.The invention uses the measure to use in the DC voltage intermediate circuit a capacitor arrangement with a charge end voltage, a discharge end voltage which is greater than zero, and a nominal voltage therebetween. In particular, therefore, no conventional capacitor arrangements comprising e.g. Electrolytic or double-layer capacitors whose discharge voltage is zero used. A particularly suitable capacitor arrangement has at least 30% energy content at least 75% of the rated voltage in the discharged state. Preferably, the capacitor arrangement in the discharged state at about 10% energy content still about 80% of the rated voltage. The rated voltage itself usually corresponds to a wide state of charge range of about 40% to about 70%. In addition, the charging voltage increases up to the charging end voltage, below which it drops to the discharge end voltage.
Um diese Vorteile gezielt nutzen zu können, kann die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis auf einen Sollspannungswert geregelt werden, der einem Ladestand der Kondensatoranordnung von wenigstens 50% und höchstens 80%, vorzugsweise wenigstens 60% und höchstens 70% entspricht. Da die in der Kondensatoranordnung gespeicherte Energie (kWh) in diesem Bereich abhängig von der Ladespannung ist, stehen für die Pufferung z.B. im letzten Fall 30-40% nach oben und nach unten zur Verfügung. Ein Zusammenhang zwischen Ladezustand und Spannung ist zumindest für kommerziell erhältliche Kondensatoren für den belasteten und unbelasteten Zustand beispielsweise aus Datenblättern bekannt oder zumindest ermittelbar. Insbesondere kann der Sollspannungswert die Nennspannung der Kondensatoranordnung sein.In order to be able to make targeted use of these advantages, the voltage in the DC voltage intermediate circuit can be regulated to a nominal voltage value which corresponds to a charge state of the capacitor arrangement of at least 50% and at most 80%, preferably at least 60% and at most 70%. Since the energy (kWh) stored in the capacitor arrangement in this region is dependent on the charging voltage, buffering is used, for example. in the latter case 30-40% up and down available. A relationship between state of charge and voltage is at least for commercially available capacitors for the loaded and unloaded state, for example from data sheets known or at least ascertainable. In particular, the nominal voltage value may be the rated voltage of the capacitor arrangement.
Unterschreitet die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis den Sollspannungswert, z.B. in Folge von Leistungsentnahme, wird die Kondensatoranordnung entladen und die Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit lädt automatisch Leistung nach, um die Sollspannung zu halten oder wieder zu erreichen. Überschreitet die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis den Sollspannungswert, z.B. in Folge des Abschaltens von Verbrauchern, wird die Kondensatoranordnung geladen.If the voltage in the DC intermediate circuit drops below the nominal voltage value, e.g. as a result of power removal, the capacitor assembly is discharged and the DC link power supply automatically recharges power to maintain or recover the desired voltage. If the voltage in the DC intermediate circuit exceeds the nominal voltage value, e.g. as a result of consumer shutdown, the capacitor assembly is charged.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein Großteil der in der Kondensatoranordnung gespeicherten Energie in einem kleinen Spannungsbereich zur Verfügung steht und daher insbesondere keine Gleichspannungswandler o.ä. zur Anpassung der Spannungsniveaus zwischen Gleichspannungszwischenkreis und Kondensatoranordnung verwendet werden müssen und dennoch ein wesentlicher Umfang der Speicherkapazität genutzt werden kann. Im Unterschied zur einleitend genannten
Eine Kondensatoranordnung mit einer Entladeschlussspannung, welche größer Null ist, weist insbesondere sog. Hybridkondensatoren, z.B. Lithium-Ionen-Kondensatoren u.ä. auf. Als Hybridkondensatoren werden Kondensatoren bezeichnet, welche Energie auf mindestens zwei Arten speichern, beispielsweise elektrostatisch und elektrochemisch. Solche Kondensatoren vereinen die Vorteile der elektrostatischen (kurze Lade- und Entladezeiten, hohe spezifische Leistung (W/kg)) und der elektrochemischen (hohe spezifische Energie (Wh/kg)) Energiespeicherung. Hybridkondensatoren weisen zwei unterschiedliche Elektroden auf, eine Doppelschichtelektrode, welche die elektrische Energie elektrostatisch in einer elektrischen Helmholtz-Doppelschicht speichert, und eine Batterie ähnliche Elektrode, welche die Energie elektrochemisch speichert. Ihre elektrische Kapazität setzt sich somit aus der Serienschaltung einer Elektrode eines herkömmlichen Doppelschichtkondensators mit einer statischen Doppelschichtkapazität und einer batterieähnlichen Elektrode mit einer elektrochemischen Pseudokapazität zusammen.A capacitor arrangement with a discharge end voltage which is greater than zero has in particular so-called hybrid capacitors, for example lithium-ion capacitors and the like. on. As hybrid capacitors capacitors are referred to, which Store energy in at least two ways, for example electrostatically and electrochemically. Such capacitors combine the advantages of electrostatic (short charge and discharge times, high specific power (W / kg)) and electrochemical (high specific energy (Wh / kg)) energy storage. Hybrid capacitors have two different electrodes, a double-layer electrode that stores the electrical energy electrostatically in an electric Helmholtz double layer, and a battery-like electrode that stores the energy electrochemically. Their electrical capacitance is thus composed of the series connection of an electrode of a conventional double-layer capacitor with a static double-layer capacitance and a battery-like electrode with an electrochemical pseudo-capacitance.
Vorzugsweise weist die Kondensatoranordnung ein dielektrisches Material mit der nicht-stöchiometrischen Formel MeOx auf, wobei Me ein Metall ist und x=1, 2, 3, wie z.B. MgO, CaO, Y2O3, Sc2O3, Fe2O3, La2O3, Nd2O3, Sm2O3, Yb2O3, Lu2O3, Pr2O3, CeO2, Er2O3, Dy2O3, Dy2O3, Gd2O3, Eu2O3, Bi2O3, BeO, AION, ZnO, MgTiO3, CaTiO3.Preferably, the capacitor arrangement comprises a dielectric material having the non-stoichiometric formula MeO x , where Me is a metal and x = 1, 2, 3, such as MgO, CaO, Y 2
Vorzugsweise weist die Kondensatoranordnung als Elektrolyt eine wässrige Lösung wie z.B. KOH und KI auf.Preferably, the capacitor arrangement comprises as the electrolyte an aqueous solution, e.g. KOH and AI on.
Vorzugsweise weist die Kondensatoranordnung als Elektrode Aktivkohle (AC) und/oder als Elektrode ein wasserstoffspeicherndes Metall (MeH) auf.The capacitor arrangement preferably has activated carbon (AC) as electrode and / or a hydrogen-storing metal (MeH) as electrode.
Vorzugsweise weist die Kondensatoranordnung wenigstens einen Hybridkondensator der Form MeOx/KOH/MeH-AC und/oder der Form MeOx/KOH/AC auf.The capacitor arrangement preferably has at least one hybrid capacitor of the form MeO x / KOH / MeH-AC and / or of the form MeO x / KOH / AC.
Ein oder mehrere der oben genannten Konfigurationen können eingesetzt werden, um einen Hybridkondensator mit großer spezifischer Leistung und Energie bereitzustellen.One or more of the above configurations may be used to provide a hybrid capacitor with high specific power and energy.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Hybridkondensatoren eine flachere Entladekennlinie haben als Superkondensatoren bzw. Doppelschichtkondensatoren. Dadurch wird die Zwischenkreisspannung weniger volatil und die Verbraucher sind einfacher zu regeln. Außerdem kann auf einen herkömmlichen Zwischenkreiskondensator verzichtet werden, wenn Hybridkondensatoren mit ihrer hohen Strombelastbarkeit eingesetzt werden. Das Vorsehen eines eigenen Pufferspeichers zusätzlich zum Zwischenkreiskondensator entfällt und bei Funktionen werden durch das gleiche Bauteil erfüllt.Another advantage is that hybrid capacitors have a flatter discharge characteristic than supercapacitors or double-layer capacitors. As a result, the intermediate circuit voltage is less volatile and the consumers are easier to control. In addition, can be dispensed with a conventional DC link capacitor when hybrid capacitors are used with their high current carrying capacity. The provision of a separate buffer memory in addition to the DC link capacitor is eliminated and functions are fulfilled by the same component.
Vorzugsweise ist die Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit auch dazu eingerichtet, Energie ins Versorgungsnetz rückzuspeisen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Ladestand der Kondensatoranordnung relativ hoch oder voll ist. Ohne Rückspeisung müsste die elektrische Energie dann insbesondere in einem sog. Bremswiderstand in Wärme umgewandelt werden.Preferably, the DC voltage intermediate supply unit is also configured to feed back energy into the supply network. This is advantageous in particular when the charge level of the capacitor arrangement is relatively high or full. Without regeneration, the electrical energy would then have to be converted into heat, in particular in a so-called braking resistor.
Vorzugsweise ist die Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit auch dazu eingerichtet, einen durch sie fließenden elektrischen Strom (d.h. vom Versorgungsnetz in den Zwischenkreis bzw. retour) auf einen Nennwert mit einer zulässigen Toleranz von z.B. +/-10% zu begrenzen. Dadurch werden insbesondere netzseitige Strom- und Leistungsspitzen reduziert. Darüber hinaus gehender Leistungs- oder Rückspeisebedarf wird vorzugsweise von der Kondensatoranordnung aufgefangen.Preferably, the DC intermediate circuit supply unit is also arranged to supply an electric current (i.e., from the supply network to the DC link) flowing through it to a nominal value with an allowable tolerance of e.g. Limit +/- 10%. As a result, in particular network-side current and power peaks are reduced. In addition, going power or recovery requirement is preferably absorbed by the capacitor assembly.
Vorzugsweise wird im Gleichspannungszwischenkreis ein Bremswiderstand der Kondensatoranordnung parallel geschaltet, wenn die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis die maximal zulässige Spannung überschreitet. Dadurch kann eine Schädigung der Kondensatoranordnung vermieden werden. Der Bremswiderstand sollte aus Sicherheitsgründen entweder die gesamte mögliche Rückspeiseleistung der Verbraucher oder diese Rückspeiseleistung abzüglich der Netz-Rückspeiseleistung der Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit aufnehmen können.Preferably, in the DC intermediate circuit, a braking resistor of the capacitor arrangement is connected in parallel when the voltage in the DC intermediate circuit exceeds the maximum permissible voltage. As a result, damage to the capacitor arrangement can be avoided. For safety reasons, the braking resistor should be able to accommodate either the total possible regenerative power of the consumers or this regenerative power minus the regenerative power of the DC intermediate circuit supply unit.
Eine Erhöhung der Speicherkapazität kann erzielt werden, wenn parallel zur Kondensatoranordnung
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Figurenlistelist of figures
-
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungszwischenkreises.1 schematically shows a preferred embodiment of a DC intermediate circuit according to the invention. -
2 zeigt Lade- und Entladekennlinien einer bevorzugten Kondensatoranordnung für unterschiedliche Stromwerte.2 shows charging and discharging characteristics of a preferred capacitor arrangement for different current values. -
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungszwischenkreises in einem Fahrantrieb.3 shows a preferred embodiment of a DC intermediate circuit according to the invention in a traction drive. -
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungszwischenkreises in einem Fahrantrieb.4 shows a further preferred embodiment of a DC intermediate circuit according to the invention in a traction drive. -
5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleichspannungszwischenkreises in einem Fahrantrieb.5 shows a further preferred embodiment of a DC intermediate circuit according to the invention in a traction drive.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In
Gleichspannungsverbraucher sind über Gleichspannungswandler
Gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist auch eine Kondensatoranordnung
Die Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit
Beispielsweise ist die Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit
Vorzugsweise ist die Gleichspannungszwischenkreisversorgungseinheit
Beispielhafte Lade- und Entladekennlinien einer bevorzugten Kondensatoranordnung für unterschiedliche Stromwerte sind in
In den
In
Die Hydraulikpumpe
In
Der Fahrantrieb selbst ist in
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102010025647 A1 [0002]DE 102010025647 A1 [0002]
- DE 102010025648 A1 [0008]DE 102010025648 A1 [0008]
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DE102010025647A1 (en) | 2010-06-11 | 2011-12-15 | Robert Bosch Gmbh | Device for controlling electrical power supplied to e.g. press device, has interface to allow current flow between power supply network and intermediate circuit, when voltage value in intermediate circuit lies within target voltage range |
-
2019
- 2019-02-13 DE DE202019100805.9U patent/DE202019100805U1/en active Active
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R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |