EP2907232A1 - Vorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers aus einer dreiphasigen wechselspannungsquelle - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers aus einer dreiphasigen wechselspannungsquelle

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EP2907232A1
EP2907232A1 EP13759518.7A EP13759518A EP2907232A1 EP 2907232 A1 EP2907232 A1 EP 2907232A1 EP 13759518 A EP13759518 A EP 13759518A EP 2907232 A1 EP2907232 A1 EP 2907232A1
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EP
European Patent Office
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phase
voltage
voltage source
bridge
switches
Prior art date
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Ceased
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EP13759518.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Waeldele
Bertram SCHILLINGER
Karlheinz Lunghard
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a device for charging an electrical energy storage device from a three-phase AC voltage source.
  • the invention further relates to a method for charging an electrical energy store from a three-phase AC voltage source.
  • a known device for charging a battery in three phases comprises a step-up converter and a step-down converter, which are provided for adapting voltage levels and which are each designed as separate units.
  • the known device comprises a line filter, which is provided to prevent disturbing influences of the boost or the buck converter on the three-phase AC voltage network.
  • DE 195 235 76 A1 describes an AC-DC power supply and a method for converting an AC voltage into a DC voltage in high-voltage systems.
  • the AC-DC power supply described therein comprises a semiconductor switch which has a lower breakdown voltage on a low-voltage side of the flyback converter than a semiconductor switch on a high-voltage side.
  • the lower breakdown voltage can be achieved by means of a shunt regulator, which regulates a clamping voltage on the low-voltage switch side.
  • the invention provides a device for charging an electrical energy store from a three-phase AC voltage source, comprising in each phase of the AC voltage source:
  • a converter device connected to the step-down converter device, having at least one first half-bridge with two switches connected in series, an inductance being connected between a connection point of the two switches of the first half-bridge and the step-down converter device;
  • a charging current direction via the inductance is determined by means of a rectifier device of the buck converter device;
  • the switches of Tiefsetzsteller worn and at least a second switch of the first half-bridge of the converter means are switchable such that one of the AC voltage source for charging the electrical energy storage removed stream is generated in such a way in that a substantially sinusoidal current is drawn from each phase of the AC voltage source, wherein in each phase the current and the voltage of the AC voltage source are substantially in phase.
  • the invention provides a method for charging an electrical energy store from an AC voltage source, comprising the following steps:
  • a preferred embodiment of the device is characterized in that either the second switch of the first half-bridge or the second switch of the second Half-bridge or the second switch of the third half-bridge is switched.
  • a selection of different switches of the converter device is advantageously made possible, wherein the selection can also be changed as needed.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the second switch of the first half-bridge and the second switch of the second half-bridge and the second switch of the third half-bridge are switched overlapping. This will be advantageous switching power on the switch of
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that in each case a phase winding of a three-phase electric motor is connected to a respective connection point of the switch a half-bridge of Umrichter- device, wherein a neutral point of windings of the electric motor is connected to an output of the Tiefsetzsteller arthritis.
  • winding inductances of an electric motor are advantageously utilized, which advantageously makes the use of an external inductance obsolete.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the second switch of two or three half-bridges of
  • Inverter device can be switched synchronously or overlapping. This causes due to the overlapping switching advantageously a reduced ripple of the charging current for the electrical energy storage. Due to the synchronous switching of the switches, an equalization of switching power to the switches of the converter device can be achieved.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that only the switches of the buck converter device are switched. This allows a minimized type of switching in the event that the electrical mains voltage is greater than the electrical voltage of the electrical energy storage.
  • Inverter device and the buck converter device is possible, an efficient and Cost effective three-phase charging an electrical energy storage to cause by the inverter and the Tiefsetzstelleinnchtung controls a charging current for the electrical energy storage.
  • a system converter device eg a B6 inverter in a drive system with a high-voltage battery for electric vehicles
  • the buck converter device together with coupling inductors realizes a correction function in the sense of a harmonic factor improvement, which is prescribed for compliance with EN network standards.
  • inventive principle can be used in a wide input and battery voltage range by using the Tiefsetzstelleinnchtung and the inverter as a boost converter. In this way, a charging concept is realized, which is used worldwide.
  • Fig. 1 shows a conventional device for three-phase charging an electrical
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the device according to the invention
  • 3 shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a flow chart of an embodiment of the method according to the invention.
  • a three-phase AC input voltage W1, W2, W3 (rotary current) is rectified by means of a boost converter HS and raised to a higher DC link voltage level.
  • a DC link capacitor By means of a DC link capacitor, the DC link DC voltage is smoothed.
  • a step-down converter TS the voltage level of the intermediate circuit voltage is reduced in accordance with the charging requirements of the electrical energy store B.
  • a line filter N arranged between the three-phase alternating voltage W1, W2, W3 and the boost converter HS prevents the exceeding of harmonic limits according to legal standards and regulations.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the device 100 according to the invention.
  • a step-down converter device TS1, TS2, TS3 is connected to each phase voltage W1, W2, W3 of the three-phase input AC voltage, each having a power semiconductor switch (eg IGBT) STS1, STS2, STS3 and a rectifier device in the form of four diodes D1 1 ... D33.
  • a diode D13, D14, D23, D24, D33, D34 is electrically connected to an emitter and a collector of the switch STS1, STS2, STS3.
  • two series-connected diodes D1 1, D12, D21, D22, D31, D32 form a series circuit, which is in each case electrically connected via a gate of the switch STS1, STS2, STS3.
  • the aforementioned diodes D1 1... D33 of the rectifier device essentially assume the definition of a current direction of phase currents which are to flow in a uniform direction via a coupling inductance L4 to a charging of the electrical energy store B.
  • a coupling inductance L1, L2, L3 is a coupling inductance L1, L2, L3 connected to a connection point of the two parallel to the gate of the switches STS1, STS2, STS3 connected diodes D1 1, D12, D21, D22, D31, D32.
  • the Tiefsetzsteller recognized TS1, TS2, TS3 with an output is connected to a converter U (eg a B6 inverter) with three half-bridges H1, H2, H3 with two serially connected switches S1 ... S6, wherein between a connection point of the first half-bridge H1 and the output of Tiefsetzsteller approached TS1, TS2, TS3 another inductor L4 is connected.
  • An electric motor M is connected to connection points of the switches of the half bridges of the converter device U, wherein the electric motor M has no function in this configuration.
  • An electronic control device 10 is supplied with values and temporal profiles of the three phase voltages, phase currents and a summation current through the inductance L4 (battery charging current) determined by current and voltage sensors (not shown).
  • the switches STS1, STS2, STS3 of the step-down converter means TS1, TS2, TS3 are now switched by means of the control device 10 such that the three phase currents are in phase with the respective phase voltages W1, W2, W3 are.
  • the switches STS1, STS2, STS3 the Tiefsetzsteller approached TS1, TS2, TS3 a summative charging current for the electrical energy storage B is generated, which does not exceed a defined maximum value.
  • the downstream converter U realized functionally a Hochsetzsteller- topology, wherein by means of a clocked pressing the second switch S2 of the first half-bridge H1 an electrical back-voltage after the inductance L4 to an electrical see voltage before the inductor L4 is constructed, which is a charging current for the elekt - energy storage B via a parallel to the switch S1 connected freewheeling diode (not shown) drives.
  • the semiconductor switches S1 ... S6 of the converter U are by design only up to a voltage of about 600 V loadable. For this reason, by means of the step-down converter device TS1, TS2, TS3, the electrical voltage for the switches S1... S6 must be provided accordingly.
  • this means providing an ohmic behavior in the three phases W1, W2, W3 of the three-phase AC voltage source, which advantageously brings about a low emission of harmonics into the three-phase AC network. In this way, a synchronous to each line voltage current waveform is provided.
  • the step-down converter device TS1, TS2, TS3 together with the inductors L1... L4 realizes a functionality of a correction device according to the principles of a harmonic factor improvement (Power Factor Correction).
  • FIG. 3 shows a variant of the device 100 according to the invention, in which winding inductances of the electric motor M are used as the inductance L4.
  • a star point tap is provided, wherein a neutral point is connected to an output of the buck converter device TS1, TS2, TS3.
  • TS1, TS2, TS3 is connected to an output of the buck converter device TS1, TS2, TS3.
  • one or two or all three half bridges H1, H2, H3 of the converter U can be used as needed.
  • each voltage phase of the input AC voltage is set so low that a voltage level of the AC input voltage is lower than a defined voltage level of switches of a converter.
  • a reverse voltage is generated at each subscr of the voltage phase such that the phase voltages of the AC voltage source W1, W2, W3 and the currents taken from each phase of the AC voltage source W1, W2, W3 for charging the electrical energy storage B, substantially each in phase.

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Abstract

Vorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (B) aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle (W1,W2,W3), aufweisend in jeder Phase der Wechselspannungsquelle (W1,W2,W3): -eine Tiefsetzstellereinrichtung (TS1..TS3) mit einem Schalter (STS1...STS3); -eine parallel zur Tiefsetzstellereinrichtung (TS1...TS3) verschaltete Diode (FLD); -eine mit der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1...TS3) verschaltete Umrichtereinrichtung (U) mit wenigstens einer ersten Halbbrücke (H1) mit zwei seriell geschalteten Schaltern (S1,S2), wobei eine Induktivität (L4) zwischen einem Verbindungspunkt der zwei Schalter (S1,S2 ) der ersten Halbbrücke (H1) und der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1...TS3) verschaltet ist; -wobei mittels einer Gleichrichtereinrichtung (D11...D33) in der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1...TS3) eine Stromrichtung über die Induktivität (L4) festgelegt wird; -wobei mittels einer Steuerungseinrichtung (10) in Abhängigkeit von den Spannungen der Wechselspannungsquelle (W1,W2,W3) und einem Strom durch die Induktivität (L4) die Schalter (STS1...STS3) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1...TS3) und wenigstens ein zweiter Schalter (S2) der ersten Halbbrücke (H1) der Umrichtereinrichtung (U) derart schaltbar sind, dass ein der Wechselspannungsquelle (W1,W2,W3) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (B) entnommener Stromderart generierbar ist, dass jeder Phase der Wechselspannungsquelle (W1,W2,W3) ein im Wesentlichen sinusförmiger Strom entnommen wird, wobei in jeder Phase der Strom und die entsprechende Spannung der Wechselspannungsquelle (W1,W2,W3) im Wesentlichen in Phase sind.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle.
Stand der Technik
Eine bekannte Vorrichtung zum dreiphasigen Laden einer Batterie umfasst einen Hochsetzsteller und einen Tiefsetzsteller, die zu einer Anpassung von Spannungsniveaus vor- gesehen sind und die jeweils als separate Einheiten ausgebildet sind. Zudem umfasst die bekannte Vorrichtung ein Netzfilter, welches vorgesehen ist, um störende Einflüsse des Hochsetz- bzw. des Tiefsetzstellers auf das dreiphasige Wechselspannungsnetz zu unterbinden. DE 195 235 76 A1 beschreibt ein Wechselspannungs-Gleichspannungsnetzteil und ein Verfahren zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung in Hochspannungssystemen. Das dort beschriebene Wechselspannungs-Gleichspannungs- netzteil umfasst einen Halbleiterschalter, welcher auf einer Niedrigspannungsseite des Rücklaufwandlers eine niedrigere Durchbruchspannung aufweist als ein Halbleiterschalter auf einer Hochspannungsseite. Die niedrigere Durchbruchspannung ist mittels eines Nebenschlussreglers erzielbar, welcher eine Klemmspannung auf der Niedrigspannungs- schalterseite reguliert.
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle, aufweisend in jeder Phase der Wechselspannungsquelle:
- eine Tiefsetzstellereinrichtung mit einem Schalter;
- eine parallel zur Tiefsetzstellereinrichtung verschaltete Diode;
- eine mit der Tiefsetzstellereinrichtung verschaltete Umrichtereinrichtung mit wenigstens einer ersten Halbbrücke mit zwei seriell geschalteten Schaltern, wobei eine Induktivität zwischen einem Verbindungspunkt der zwei Schalter der ersten Halbbrücke und der Tiefsetzstellereinrichtung verschaltet ist;
- wobei mittels einer Gleichrichtereinrichtung der Tiefsetzstellereinrichtung eine Ladestromrichtung über die Induktivität festgelegt wird;
- wobei mittels einer Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von den Spannungen der Wechselspannungsquelle und dem Ladestrom durch die Induktivität die Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung und wenigstens ein zweiter Schalter der ersten Halbbrücke der Umrichtereinrichtung derart schaltbar sind, dass ein der Wechselspannungsquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers entnommener Strom derart generierbar ist, dass jeder Phase der Wechselspannungsquelle ein im Wesentlichen sinusförmiger Strom entnommen wird, wobei in jeder Phase der Strom und die Spannung der Wechselspannungsquelle im Wesentlichen in Phase sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer Wechselspannungsquelle bereitgestellt, welches folgende Schritte aufweist:
- Tiefsetzen jeder Spannungsphase der Eingangswechselspannung derart, dass ein Spannungsniveau der Eingangswechselspannung niedriger ist als ein definiertes Spannungsniveau von Schaltern einer Umrichtereinrichtung; und
- Generieren einer Gegenspannung zu jeder tiefgesetzten Spannungsphase derart, dass die Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle und die Ströme, der jeder Phase der Wechselspannungsquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers entnommen werden, im Wesentlichen in Phase sind.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder der zweite Schalter der ersten Halbbrücke oder der zweite Schalter der zweiten Halbbrücke oder der zweite Schalter der dritten Halbbrücke geschaltet wird. Dadurch wird vorteilhaft eine Auswahl verschiedener Schalter der Umrichtereinrichtung ermöglicht, wobei je nach Bedarf die Auswahl auch geändert werden kann. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Schalter der ersten Halbbrücke und der zweite Schalter der zweiten Halbbrücke und der zweite Schalter der dritten Halbbrücke überlappend geschaltet werden. Dadurch wird vorteilhaft eine Schaltleistung auf die Schalter der
Umrichtereinrichtung verteilt, was eine gleichmäßige Belastung der Schalter der
Umrichtereinrichtung bewirkt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Phasenwicklung eines dreiphasigen Elektromotors mit jeweils einem Verbindungspunkt der Schalter einer Halbbrücke der Umrichter- einrichtung verschaltet ist, wobei ein Sternpunkt von Wicklungen des Elektromotors an einen Ausgang der Tiefsetzstellereinrichtung verschaltet ist. Dadurch werden vorteilhaft Wicklungsinduktivitäten eines Elektromotors ausgenutzt, was vorteilhaft eine Verwendung einer externen Induktivität obsolet macht. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweiten Schalter von zwei oder drei Halbbrücken der
Umrichtereinrichtung synchron oder überlappend geschaltet werden. Dies bewirkt aufgrund der überlappenden Schaltweise vorteilhaft eine verringerte Welligkeit des Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher. Durch die synchrone Schaltung der Schalter kann eine Vergleichmäßigung von Schaltleistung auf die Schalter der Umrichtereinrichtung erzielt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung geschaltet werden. Dies erlaubt eine minimierte Schaltart für den Fall, dass die elektrische Netzspannung größer als die elektrische Spannung des elektrischen Energiespeichers ist.
Vorteile der Erfindung Als besonders vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass es mittels der
Umrichtereinrichtung und der Tiefsetzstellereinrichtung möglich ist, ein effizientes und kostengünstiges dreiphasiges Laden eines elektrischen Energiespeichers zu bewirken, indem die Umrichtereinrichtung und die Tiefsetzstellereinnchtung einen Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher steuert. Dabei wird als ein Vorteil insbesondere auch die Tatsache angesehen, dass eine in einem System bereits vorhandene Umrichtereinrichtung (z.B. ein B6-Inverter in einem Antriebssystem mit einer Hochvolt-Batterie für Elektrofahrzeuge) für die Ladefunktion des elektrischen Energiespeichers mitgenutzt werden kann. Auf diese Weise realisiert die Tiefsetzstellereinnchtung zusammen mit Kopplungsinduktivitäten eine Korrekturfunktionalität im Sinne einer Oberwellenfaktorverbesserung, welche für die Einhaltung von EN-Netz- normen vorgeschrieben ist.
Besonders vorteilhaft wird auch angesehen, dass durch die Verwendung der Tiefsetzstellereinnchtung und der Umrichtereinrichtung als ein Hochsetzsteller das erfindungsge- mäße Prinzip in einem weiten Eingangs- und Batteriespannungsbereich einsetzbar ist. Auf diese Weise wird ein Ladekonzept realisiert, welches weltweit einsetzbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschrie- benen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise als detailgetreue Schaltbilder zu verstehen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Kurze Beschreibung der Figuren Es zeigen:
Fig. 1 eine herkömmliche Vorrichtung zum dreiphasigen Laden eines elektrischen
Energiespeichers;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Vorrichtung zum dreiphasigen Laden eines elektrischen Energiespeichers B. Eine dreiphasige Eingangswechselspannung W1 , W2, W3 (Dreh- ström) wird mittels eines Hochsetzstellers HS gleichgerichtet und auf ein höheres Zwischenkreis-Spannungsniveau angehoben. Mittels eines Zwischenkreiskondensators wird die Zwischenkreisgleichspannung geglättet. Mittels eines Tiefsetzstellers TS wird das Spannungsniveau der Zwischenkreisspannung entsprechend von Ladebedürfnissen des elektrischen Energiespeichers B verringert. Ein zwischen der dreiphasigen Wechselspan- nung W1 , W2, W3 und dem Hochsetzsteller HS angeordnetes Netzfilter N verhindert ein Überschreiten von Oberwellengrenzen nach gesetzlichen Normen und Vorschriften.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, eine bereits in einem System vorhandene Umrichtereinrichtung U zum dreiphasigen Laden des elektrischen Energiespeichers B zu nutzen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. An jede Phasenspannung W1 , W2, W3 der dreiphasigen Eingangswechselspannung ist eine Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 geschaltet, die jeweils einen Leistungshalbleiter- Schalter (z.B. IGBT) STS1 , STS2, STS3 aufweist und eine Gleichrichtereinrichtung in Form von vier Dioden D1 1...D33. Jeweils eine Diode D13, D14, D23, D24, D33, D34 ist mit einem Emitter und einem Kollektor des Schalters STS1 , STS2, STS3 elektrisch verbunden. Zudem bilden zwei seriell geschaltete Dioden D1 1 , D12, D21 , D22, D31 , D32 eine Serienschaltung, die jeweils über ein Gate des Schalters STS1 , STS2, STS3 elekt- risch verschaltet ist.
Die genannten Dioden D1 1 ...D33 der Gleichrichtereinrichtung übernehmen dabei im Wesentlichen die Festlegung einer Stromrichtung von Phasenströmen, welche in einheitlicher Richtung über eine Koppelinduktivität L4 zu einem Laden des elektrischen Energiespeichers B fließen sollen. An jede der drei Phasenspannungen W1 , W2, W3 ist eine Koppelinduktivität L1 , L2, L3 an einen Verbindungspunkt der zwei parallel zum Gate der Schalter STS1 , STS2, STS3 geschalteten Dioden D1 1 , D12, D21 , D22, D31 , D32 geschaltet. Die Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 mit einem Ausgang ist an eine Umrichtereinrichtung U (z.B. ein B6-Inverter) mit drei Halbbrücken H1 , H2, H3 mit jeweils zwei seriell geschalteten Schaltern S1 ...S6 angeschaltet, wobei zwischen einem Verbindungspunkt der ersten Halbbrücke H1 und dem Ausgang der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 eine weitere Induktivität L4 geschaltet ist. Ein Elektromotor M ist an Verbin- dungspunkte der Schalter der Halbbrücken der Umrichtereinrichtung U angeschaltet, wobei der Elektromotor M in dieser Konfiguration keine Funktion hat.
Einer elektronischen Steuerungseinrichtung 10 werden mittels Strom- und Spannungssensoren (nicht dargestellt) ermittelte Werte und zeitliche Verläufe der drei Phasenspan- nungen, Phasenströmen und ein Summenstrom durch die Induktivität L4 (Batterieladestrom) zugeführt.
Abhängig von den zeitlichen Verläufen der drei Phasenspannungen, den Phasenströmen und dem Summenstrom durch die Induktivität L4 werden nunmehr mittels der Steuerungs- einrichtung 10 die Schalter STS1 , STS2, STS3 der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 derart geschaltet, dass die drei Phasenströme in Phase mit den jeweiligen Phasenspannungen W1 , W2, W3 sind. Zudem wird mittels der Schalter STS1 , STS2, STS3 der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 ein summarischer Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher B erzeugt, der einen definierten Maximalwert nicht übersteigt. Durch das Schalten der Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung werden Stromflüsse über die Induktivitäten L1 ..L3 unterbrochen, weshalb eine Freilaufdiode FLD vorgesehen ist, die zu definierten Schaltphasen der Schalter STS1 , STS2, STS3 einen Stromfluss über die Induktivität L4 ermöglicht. Vorteilhaft werden die Schalter STS1 , STS2, STS3 der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 durch die erläuterte Betriebsweise symmetrisch belastet.
Die nachgeschaltete Umrichtereinrichtung U realisiert funktional eine Hochsetzsteller- topologie, wobei mittels eines getakteten Betätigens des zweiten Schalters S2 der ersten Halbbrücke H1 eine elektrische Gegenspannung nach der Induktivität L4 zu einer elektri- sehen Spannung vor der Induktivität L4 aufgebaut wird, die einen Ladestrom für den elekt- rischen Energiespeicher B über eine parallel zum Schalter S1 geschaltete Freilaufdiode (nicht dargestellt) treibt.
Die Halbleiterschalter S1 ...S6 der Umrichtereinrichtung U sind auslegungsbedingt nur bis zu einer Spannung von ungefähr 600 V belastbar. Aus diesem Grund muss mittels der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 die elektrische Spannung für die Schalter S1 ...S6 entsprechend bereitgestellt werden.
Im Ergebnis bedeutet dies ein Bereitstellen eines Ohmschen Verhaltens in den drei Pha- sen W1 , W2, W3 der dreiphasigen Wechselspannungsquelle, was vorteilhaft eine geringe Emission von Oberwellen ins dreiphasige Wechselspannungsnetz mit sich bringt. Auf diese Weise wird also ein zu jeder Netzspannung synchroner Stromverlauf bereitgestellt.
Dadurch realisiert die Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 zusammen mit den Induktivitäten L1 ...L4 erfindungsgemäß eine Funktionalität einer Korrektureinrichtung nach den Prinzipien einer Oberwellenfaktorverbesserung (engl. Power Factor Correction).
Denkbar ist beispielsweise, dass lediglich ein zweiter Schalter S2, S4, S6 von einer der drei Halbbrücken H1 , H2, H3 geschaltet wird.
Denkbar ist auch, dass die zweiten Schalter S2, S4, S6 der Halbbrücken H1 , H2, H3 überlappend (engl, interleave) geschaltet werden, wodurch eine Welligkeit des Gesamtladestroms vorteilhaft bedeutend verringert ist. Zudem hat dies vorteilhaft zur Folge, dass die einzelnen Schalter S1 ...S6 der Umrichtereinrichtung U geringer belastet werden, weil die elektrische Schaltleistung gleichmäßiger auf die Schalter S1 ...S6 verteilt wird.
In Fig. 3 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt, in der Wicklungsinduktivitäten des Elektromotors M als Induktivität L4 genutzt werden. Für den Elektromotor M ist ein Sternpunktsabgriff vorgesehen, wobei ein Sternpunkt mit einem Ausgang der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 verschaltet ist. In diesem Fall können je nach Bedarf eine oder zwei oder alle drei Halbbrücken H1 , H2, H3 der Umrichtereinrichtung U genutzt werden.
Auch in der Ausführungsform der Vorrichtung 100 von Fig. 3 ist es möglich, die Schalter der Halbbrücken H1 , H2, H3 überlappend zu schalten, so dass eine Vergleichmäßigung der Schaltleistung bzw. eine Senkung eines„Temperaturhubs" der einzelnen Schalter der Halbbrücken H1 , H2, H3 erreicht wird. Dies hat vorteilhafte Auswirkungen in Form einer verlängerten Betriebsdauer der Schalter.
Fig. 4 zeigt eine prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsge- mäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 101 wird jede Spannungsphase der Eingangswechselspannung derart tiefgesetzt, dass ein Spannungsniveau der Eingangswechselspannung niedriger ist als ein definiertes Spannungsniveau von Schaltern einer Umrichtereinrichtung . In einem zweiten Schritt 201 wird eine Gegenspannung zu jeder tiefgesetzten Spannungsphase derart generiert, dass die Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle W1 ,W2,W3 und die Ströme, der jeder Phase der Wechselspannungsquelle W1 ,W2,W3 zum Laden des elektrischen Energiespeichers B entnommen werden, im Wesentlichen jeweils in Phase sind.
Vorteilhaft ist es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren möglich, die einzelnen Phasenströme sinusförmig auszugestalten, was zu einer Erfüllung von gegebenen Vorgaben bezüglich Oberwellen beiträgt. Vorteilhaft werden mittels der Erfindung keine blockförmigen Ströme erzeugt, die in konventionellen Systemen auftreten und eine ungünstige Auswirkung auf Oberwellen und Emissionen nach sich ziehen.
Vorteilhaft ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kein Transformator für ein Anpassen der Eingangsspannung erforderlich.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
Vorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (B) aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3), aufweisend in jeder Phase der Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3):
- eine Tiefsetzstellereinrichtung (TS1 ..TS3) mit einem Schalter (STS1 ...STS3);
- eine parallel zur Tiefsetzstellereinrichtung (TS1 ...TS3) verschaltete Diode (FLD);
- eine mit der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1 ...TS3) verschaltete Umrichtereinrichtung (U) mit wenigstens einer ersten Halbbrücke (H1 ) mit zwei seriell geschalteten Schaltern (S1 ,S2), wobei eine Induktivität (L4) zwischen einem Verbindungspunkt der zwei Schalter (S1 ,S2 ) der ersten Halbbrücke (H1 ) und der Tiefsetzstellereinrichtng (TS1 ...TS3) verschaltet ist;
- wobei mittels einer Gleichrichtereinrichtung (D1 1 ...D33) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1 ...TS3) eine Ladestromrichtung über die Induktivität (L4) festgelegt wird;
- wobei mittels einer Steuerungseinrichtung (10) in Abhängigkeit von den Spannungen der Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3) und dem Ladestrom durch die Induktivität (L4) die Schalter (STS1 ...STS3) der Tiefsetzstellereinrichtung
(TS1 ...TS3) und wenigstens ein zweiter Schalter (S2) der ersten Halbbrücke (H1 ) der Umrichtereinrichtung (U) derart schaltbar sind, dass ein der Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (B) entnommener Strom derart generierbar ist, dass jeder Phase der Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3) ein im Wesentlichen sinusförmiger Strom entnommen wird, wobei in jeder Phase der Strom und die Spannung der Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3) im Wesentlichen in Phase sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass entweder der zweite Schalter (S2) der ersten Halbbrücke (H1 ) oder der zweite Schalter (S4) der zweiten Halbbrücke (H2) oder der zweite Schalter (S6) der dritten Halbbrücke (H3) der Umrichtereinrichtung (U) geschaltet wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (S2) der ersten Halbbrücke (H1 ) und der zweite Schalter (S4) der zweiten Halbbrücke (H2) und der zweite Schalter (S6) der dritten Halbbrücke (H3) überlappend geschaltet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Phasenwicklung eines dreiphasigen Elektromotors (M) mit jeweils einem Verbindungspunkt der Schalter (S1 ...S6) einer Halbbrücke (H1 ,H2,H3) der Umrichtereinrichtung (U) verschaltet ist, wobei ein Sternpunkt von Wicklungen des Elektromotors (M) an einen Ausgang der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1 ,TS2,TS3) verschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schalter (S2, S4,S6) von zwei oder drei Halbbrücken (H 1 ,H2,H3) der Umrichtereinrichtung (U) synchron oder überlappend geschaltet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Schalter (STS1 ,STS2,STS3) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS1 ,TS2,TS3) geschaltet werden.
Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (B) aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3), aufweisend die Schritte:
- Tiefsetzen jeder Spannungsphase der Eingangswechselspannung derart, dass ein Spannungsniveau der Eingangswechselspannung niedriger ist als ein definiertes Spannungsniveau von Schaltern einer Umrichtereinrichtung (U); und
- Generieren einer Gegenspannung zu jeder tiefgesetzten Spannungsphase derart, dass die Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3) und die Ströme, der jeder Phase der Wechselspannungsquelle (W1 ,W2,W3) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (B) entnommen werden, im Wesentlichen in Phase sind.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, wenn es auf einer elektronischen Steuerungseinrichtung (10) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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