Beschreibung
Umrichter und Submodul eines Umrichters zum Laden oder Entla¬ den eines Energiespeichers
Die Erfindung betrifft ein Submodul zum Laden oder Entladen eines Energiespeichers mit einer Kondensatoreinheit und einer Leistungshalbleiterschaltung, die an- und abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, wobei die Kondensatoreinheit und die Leistungshalbleiterschaltung so miteinander verbunden sind, dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Leistungshalbleiterschaltung wenigstens die an dem Kondensator abfallende Spannung oder eine Nullspannung an Ausgangsklemmen des Submoduls erzeugbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Umrichter mit Umrichterventilen, der eine Reihenschaltung aus solchen Submodulen aufweist . Ein solches Submodul und ein solcher Umrichter sind aus der DE 101 030 31 bereits bekannt. Der dort beschriebene Umrich¬ ter verfügt über Umrichterventile, die eine Brückenschaltung ausbilden. Dabei erstreckt sich jedes Umrichterventil zwi¬ schen einem Wechselspannungsanschluss zur Verbindung des Um- richters mit einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspan- nungsanschluss . Jedes Ventil verfügt über eine Reihenschal¬ tung aus bipolaren Submodulen, die jeweils eine Kondensatoreinheit aufweisen, die parallel zu einer Leistungshalbleiterschaltung geschaltet ist. Die beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls sind einmal mit der Kondensatoreinheit und einmal mit dem Potenzialpunkt zwischen den beiden Leistungs¬ halbleiterschaltern verbunden, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Auf diese Weise kann an den beiden Anschlussklemmen eines jeden Submoduls entweder
eine Nullspannung oder aber die an der Kondensatoreinheit ab¬ fallende Kondensatorspannung erzeugt werden. Auf diese Weise ist ein so genannter mehrstufiger Gleichspannung einprägender Umrichter bereitgestellt.
Die DE 10 2007 051 052 beschreibt ein Verfahren zum Laden von wieder aufladbaren Lithiumakkumulatoren. Hierbei wird eine Wechselspannung im Niederspannungsbereich mit einem Schaltnetzteil verbunden, das ausgangsseitig eine Gleichspannung zum Laden eines Akkumulators bereitstellt.
Eine weitere Ladevorrichtung zum Laden eines Akkumulators ist aus der DE 199 13 627 AI bekannt geworden. Beim Laden einer größeren Anzahl von Energiespeichern mit elektrischer Energie ergibt sich eine Vielzahl von Problemen. Zunächst ist die elektrische Ladevorrichtung auf den jeweils zu ladenden Energiespeicher anzupassen. Unterschiedliche Energiespeicher erfordern jedoch in der Regel unterschiedli- che Ladespannungen oder Ladeströme. Insbesondere im Hinblick auf eine hohe Lebensdauer des Energiespeichers ist es sinn¬ voll, den Lade- beziehungsweise Entladevorgang hinsichtlich der Ladeparameter auf die Bedürfnisse des jeweiligen Energie¬ speichers auszurichten. Darüber hinaus sollte die Vorrichtung zum Laden beziehungsweise Entladen des Energiespeichers auch kostengünstig sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Submodul und einen Umrichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ein individuelles Anpassen des Ladevorgangs auf die Erfordernisse des jeweiligen Energiespeichers ermöglichen und die darüber hinaus kostengünstig sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Energie¬ speicher über einen Gleichspannungssteller an das Submodul anschließbar ist, wobei der Gleichspannungssteller mit der Kondensatoreinheit verbunden ist und zum Umwandeln einer an dem Kondensator abfallenden Kondensatorspannung in eine Ladespannung, die zum Laden des Energiespeichers erforderlich ist, und zum Umwandeln einer beim Entladen an dem Energiespeicher abfallenden Entladespannung in die Kondensatorspannung eingerichtet ist.
Ausgehend von dem eingangs genannten Umrichter löst die Erfindung die Aufgabe dadurch, dass Umrichterventile vorgesehen sind, die zumindest teilweise aus einer Reihenschaltung sol¬ cher Submodule bestehen.
Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Submodul eines modularen Mehrstufenumrichters zum Aufladen externer Energiespeicher eingesetzt. Um beim Laden oder Entladen des Energiespeichers die erforderliche Spannung individuell auswählen zu können, ist ein so genannter Gleichspannungssteller vorgesehen, welcher die in dem Kondensator abfallende Spannung in die jeweils erforderliche Lade- beziehungsweise Entladespannung um¬ wandelt. Dies hat den Vorteil, dass die Spannung, welche an den Kondensatoren der Submodule abfällt, weitestgehend für alle Submodule konstant gehalten werden kann. Die Anpassung auf den jeweiligen Energiespeicher erfolgt über den Gleichspannungssteller. Die an der Kondensatoreinheit des Submoduls abfallende Spannung kann mit Hilfe der abschaltbaren Leistungshalbleiter der Leistungshalbleiterschaltung so gewählt werden, dass diese in etwa im Bereich der Lade- beziehungs¬ weise Entladespannungen der gängigen Energiespeicher liegt. Die Kondensatorspannung zum Aufladen von Akkumulatoren für Elektroautos liegt beispielsweise in der Größenordnung von etwa 10V. Der Gleichspannungssteller muss daher keine großen
Spannungsdifferenzen beim Umwandeln der Gleichspannungen erzeugen, so dass die Anforderungen an den Gleichspannungsstel- ler gering sind, wodurch dieser kostengünstig ist. Darüber hinaus werden auch die Verluste des Gleichspannungsstellers, die bei der Umwandlung der Gleichspannung entstehen, gering gehalten .
Vorteilhafterweise ist der Gleichspannungssteller parallel zur Kondensatoreinheit geschaltet.
Zweckmäßigerweise ist als Energiespeicher ein Akkumulator vorgesehen. Akkumulatoren sind chemische Speicher, bei denen Elektroenergie in chemisch gebundene Energie umgewandelt und so gespeichert wird. Solche Akkumulatoren sind bestens be- kannt, so dass an dieser Stelle deren genaue Ausgestaltung entfallen kann. Grundsätzlich könne im Rahme der Erfindung beliebige Akkumulatoren eingesetzt werden. Als gängige Akku¬ mulatoren seien hier Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Nickel- Kadmium-Akkumulatoren genannt. Selbstverständlich ist es auch möglich, erst in der Zukunft beabsichtigte Lithiumluftenergiespeicher mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder mit dem erfindungsgemäßen Submodul aufzuladen.
Vorteilhafterweise sind die Leistungshalbleiterschaltung und die Kondensatoreinheit zu einer Vollbrückenschaltung miteinander verschaltet, wobei vier abschaltbare Leistungshalblei¬ ter vorgesehen sind, denen jeweils eine Freilaufdiode gegen¬ sinnig parallel geschaltet ist. Solche Vollbrückenschaltungen werden bereits als Umrichter oder variable Spannungsquellen im Bereich der Energieübertragung und Energieverteilung eingesetzt. Mit Hilfe der Vollbrückenschaltung ist es möglich, neben einer Nullspannung und der Kondensatorspannung auch die inverse Kondensatorspannung an den Ausgangsklemmen eines jeden Submoduls zu erzeugen.
Abweichend hiervon bilden Leistungshalbleiterschaltungen und Kondensatoreinheit eine Halbbrückenschaltung aus, die zwei an- und abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, denen je¬ weils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Das Submodul verfügt darüber hinaus zweckmäßigerweise über zwei Anschlussklemmen, wobei eine Anschlussklemme mit der Kondensatoreinheit und die andere Anschlussklemme mit dem Po¬ tenzialpunkt zwischen den beiden ansteuerbaren Leistungshalbleitern verbunden sind. Anstatt einem Leistungshalbleiter ei- ne Freilaufdiode gegensinnig parallel zu schalten, können im Rahmen der Erfindung auch rückwärts leitende Leitungshalblei¬ terschalter eingesetzt werden.
Zweckmäßigerweise verfügt der Gleichspannungssteller über ei- ne Regelungseinheit, die mit Messsensoren zum Erfassen einer an dem Energiespeicher abfallenden Lade- beziehungsweise Entladespannung und einer an der Kondensatoreinheit abfallenden Kondensatorspannung eingerichtet sind, wobei die Regelungs¬ einheit zum Einstellen der Lade- und/oder Entladespannung in Abhängigkeit wenigstens eines Sollwertes eingerichtet ist.
Die Ermittlung des oder der Sollwerte kann beispielsweise von einem Nutzer eingegeben werden. Abweichend hiervon ist es jedoch auch möglich, die Regelungseinheit des Gleichspannungs- stellers mit einer Energiespeichererkennungseinheit zu ver- binden. Die Energiespeichererkennungseinheit liest beispiels¬ weise in einer Speichereinheit des Energiespeichers den je¬ weiligen Typ und die jeweils erforderliche Lade- beziehungs¬ weise Entladespannung aus und übermittelt diese als Sollwert an die Regelungseinheit des Gleichspannungsstellers . Dieser stellt dann ausgangsseitig die gewünschte Entlade- bezie¬ hungsweise Ladespannung ein, so dass die Ladung beziehungs¬ weise Entladung des Energiespeichers mit dem größten Wir¬ kungsgrad erfolgen kann.
Der Gleichspannungssteller ist beispielsweise ein Hochsetzsteller oder ein Tiefsetzsteller.
Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn das Submodul ein bipolares Submodul ist und zwei Anschlussklemmen aufweist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin¬ dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Submoduls und des erfindungsgemäßen Umrichters schematisch verdeutlicht und
Figur 2 ein Submodul eines Umrichters gemäß Figur 1 genauer zeigt. Figur 1 zeigt schematisch einen Umrichter 1, der aus einer
Brückenschaltung von Leistungshalbleiterventilen 2, 3, 4, 5, 6 und 7 besteht, wobei sich jedes der besagten Leistungshalb¬ leiterventile zwischen einem Wechselspannungsanschluss 8 und einem positiven Gleichspannungsanschluss 9 beziehungsweise einem negativen Gleichspannungsanschluss 10 erstreckt. Dar¬ über hinaus verfügt jedes Leistungshalbleiterventil, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 über eine den Stromfluss begrenzende Drossel 11. In Figur 1 ist nur schematisch angedeutet, dass jeder Wechselspannungsanschluss 8 eines Umrichters mit Anschlussmitteln 12 zum Anschluss eines Wechselspannungsnetzes verbunden ist. Dies erfolgt üblicherweise über einen Transformator oder aber auch galvanisch mit Hilfe von Drosseln oder Spulen, die zwischen die Wechselspannungsanschlüsse 8 und in Figur 1 nicht dargestellte Wechselspannungsnetz geschaltet sind.
Es ist weiterhin erkennbar, dass jedes der Leistungshalblei¬ terventile 2, 3, 4, 5, 6 und 7 eine Reihenschaltung von bipo¬ laren Submodulen 13 aufweist, die alle identisch aufgebaut sind. Daher ist in der rechten Hälfte von Figur 1 lediglich ein Submodul 13 genauer dargestellt. Es ist erkennbar, dass jedes Submodul 13 über eine Kondensatoreinheit 14 und eine Leistungshalbleiterschaltung 15 verfügt, die sich parallel zur Kondensatoreinheit 14 erstreckt. Die Leistungshalbleiter¬ schaltung 15 weist zwei Leistungshalbleiter 16 und 17 auf, die sowohl ein- als auch abgeschaltet werden können. Solche Leistungshalbleiter sind beispielsweise so genannte IGBTs, GTOs, X-FETs, IGCTs oder dergleichen. Grundsätzlich ist jeder abschaltbarer Leistungshalbleiter im Rahmen der Erfindung einsetzbar. Jedem dieser ansteuerbaren Leistungshalbleiter 16, 17 ist eine Freilaufdiode 18 gegensinnig parallel ge¬ schaltet. Weiterhin ist eine erste Anschlussklemme 19 galva¬ nisch mit der Kondensatoreinheit 14 verbunden. Eine zweite Anschlussklemme 20 ist an dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleitern 16 und 17 angeschlossen. An der Konden- satoreinheit 14 fällt bei Betrieb des Umrichters 1 eine Kon¬ densatorspannung Uc ab.
Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, kann jeder der Leistungshalbleiter 16 oder 17 von einer Unterbrecherstel- lung, in der ein Stromfluss über den jeweiligen Leistungshalbleiter unterbrochen ist, in seine Durchgangsstellung überführt werden, in der ein Stromfluss über den Leistungs¬ halbleiter in einer Durchlassrichtung ermöglicht ist oder umgekehrt. Werden die Leistungshalbleiter 16 und 17 beispiels- weise so angesteuert, dass sich der Leistungshalbleiter 17 in seiner Unterbrecherstellung, der Leistungshalbleiter 16 jedoch in seiner Durchgangsstellung befindet, fällt an den Ausgangsklemmen 19 und 20 die Kondensatorspannung Uc ab. Ist je¬ doch der Leistungshalbleiter 17 in seiner Durchgangsstellung,
der Leistungshalbleiter 16 ist seiner Unterbrecherstellung, fällt an den Ausgangsklemmen 19 und 20 die Spannung Null ab. Somit kann entweder die Kondensatorspannung Uc oder eine Nullspannung an die Ausgangsklemmen 19 und 20 gelegt werden.
Darüber hinaus ist erkennbar, dass die Kondensatoreinheit 14 parallel zu einem Gleichspannungssteller 21 geschaltet ist. Der Gleichspannungssteller 21 ist ausgangsseitig mit einem Energiespeicher 22 verbunden, der dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
In der schematischen Darstellung der Figur 1 ist nicht gezeigt, dass jeder Leistungshalbleiter 16, 17 mit einer Rege- lungs- und Schutzeinheit des Umrichters 1 verbunden ist, mit dessen Hilfe die an jeder Kondensatoreinheit abfallende Kon¬ densatorspannung im Wesentlichen einstellbar ist.
Figur 2 zeigt das Submodul eines Umrichters 1 gemäß Figur 1 genauer. Es ist erkennbar, dass der Gleichspannungssteller 21 über eine Regelungseinheit 23 verfügt, die über Signalleitun¬ gen 24 mit Spannungssensoren 25 verbunden ist, die einmal zum Erfassen der Kondensatorspannung Uc beziehungsweise zum Erfassen einer Lade- beziehungsweise Entladespannung UL einge¬ richtet sind. Der Gleichspannungssteller 21 ist zum Umwandeln der Kondensatorspannung Uc in die Ladespannung UL eingerichtet, falls der Akkumulator 22 geladen werden soll. Bei einer Entladung des Akkumulators 22 wandelt der Gleichspannungs¬ steller 21 hingegen die Entladespannung UL in die Kondensatorspannung Uc um, so dass ein Leistungsfluss in beiden Rich- tungen über den Gleichsetzsteller 21 ermöglicht ist. Der Regelungseinheit des Gleichspannungsstellers 21 ist mit einer übergeordneten Steuerungseinheit verbunden, die beispielswei¬ se als so genanntes „Batterie-Management-System" 26 bezeichnet werden kann. Das übergeordnete Batterie-Management-System
26 überträgt beispielsweise gewünschte Sollwerte, wie Lade¬ ströme und dergleichen an die Regelungseinheit 23. Vor und während eines Ladevorganges stellt die Regelungseinheit 23 dem Batterie Management System 26 bestimmte Statusparameter zur Verfügung, mit der ein optimaler Ladestrom seitens des Batterie Management Systems dynamisch berechnet werden kann.
Wie durch die Pfeile in Figur 2 angedeutet, kann das Batte¬ rie-Management-System 26 mit weiteren Steuerungseinheiten auf beliebige Art und Weise verbunden werden.