EP3329582A1 - Mehrphasiger wechselrichter - Google Patents

Mehrphasiger wechselrichter

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Publication number
EP3329582A1
EP3329582A1 EP16736110.4A EP16736110A EP3329582A1 EP 3329582 A1 EP3329582 A1 EP 3329582A1 EP 16736110 A EP16736110 A EP 16736110A EP 3329582 A1 EP3329582 A1 EP 3329582A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
input terminal
inverter
switch
node
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16736110.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Taleb Janbein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3329582A1 publication Critical patent/EP3329582A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/10—Arrangements incorporating converting means for enabling loads to be operated at will from different kinds of power supplies, e.g. from ac or dc
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/19—Switching between serial connection and parallel connection of battery modules
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0074—Plural converter units whose inputs are connected in series
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a polyphase inverter for controlling a multiphase consumer, which has a plurality of input terminals for
  • Connection of at least a first battery and a second battery and a plurality of phase outputs for connection of the consumer comprises.
  • inverters For driving a multiphase consumer, for example a three-phase electric motor, it is known to use inverters. Such inverters are also referred to as inverters.
  • the inverter makes it possible to feed the load from a DC voltage source, such as a battery.
  • Inverters are used in particular in electric vehicles for driving a three-phase electric motor. Inverters
  • Photovoltaic system is generated to feed into an existing supply network.
  • Inverter the consumer can be fed either from the first battery, from the second battery or from a series connection of both batteries. As a result, the consumer can be supplied with different voltages.
  • Such inverters are also referred to as multilevel inverters.
  • a generic inverter is known from DE 10 2012 012 048 AI.
  • the inverter comprises several input terminals to which two capacitors are connected, and three phase outputs for connecting a three-phase machine.
  • Each of the three phase outputs is assigned a bridge circuit with controllable switches, by which the respective phase output can be connected to the various input terminals.
  • controllable switches and with two phase outputs By appropriate control of the switch three different voltages between the phase outputs are adjustable.
  • DE 10 2013 215 572 A1 discloses an energy storage device with two phase outputs.
  • the energy storage device has a plurality of multi-voltage stage converters, which are also referred to as multilevel converters.
  • the inverter includes several components
  • Input terminals for connecting at least a first battery and a second battery and a plurality of phase outputs for connecting the consumer.
  • Each phase output is assigned a bridge circuit with controllable switches, by means of which the phase output can be connected to various input terminals.
  • each bridge circuit has an input switch, a plurality of node switches and an output switch.
  • the input switch of each bridge circuit is connected to a first input terminal and to the phase output.
  • the node switches of each bridge circuit are connected to one of the remaining input terminals and to a node.
  • the output switch of each bridge circuit is connected to the node and to the phase output. So that the phase output can be connected optionally to the first input terminal as well as to the node.
  • three phase outputs are provided for connecting a three-phase load, for example a three-phase motor.
  • the switches comprise at least one transistor, a diode and a drive unit.
  • the diode is connected to the transistor in such a way that a current can flow in a predetermined direction, even if the transistor is turned off.
  • the transistor is preferably a
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the first input terminal and a second
  • Input terminal for connection of the first battery provided, and a third input terminal and a fourth input terminal are provided for connection of the second battery.
  • the inverter is designed such that when open
  • Switching the first input terminal and the second input terminal are electrically isolated from the third input terminal and the fourth input terminal.
  • each bridge circuit has a primary node switch connected to the second input terminal and to the node.
  • the primary node switch is thus connected to the first battery as well as the input switch.
  • Primary node switch designed as anti-parallel switch and each comprise two transistors, two diodes and a drive unit.
  • the diodes are connected to the transistors in such a way that a current can not flow in any direction when the transistors block.
  • the inverter is designed such that, when both batteries are connected, with the switches open, the first battery is galvanically isolated from the second battery.
  • An inverter according to the invention advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV), in particular for driving a three-phase electric motor, or in a photovoltaic system.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • Inverter is basically used everywhere, if two batteries
  • the connected consumer can be fed either from the first battery, from the second battery or from a series connection of both batteries.
  • the connected consumer can be supplied with different high voltages.
  • Inverter the functionality of a multilevel inverter.
  • the voltage of the first battery may be greater than the voltage of the second battery.
  • the consumer is initially fed exclusively from the first battery, which has the higher voltage and thus the higher state of charge. Only when the first battery is discharged to the extent that the charge states of the two batteries are approximately equal, the connected load from both batteries is powered. In such a parallel connection of a first battery with a higher state of charge and a second battery with a lower state of charge, the first battery is thus initially discharged until the states of charge of both batteries are approximately equalized. Thereafter, both batteries are discharged approximately similarly. Thus, with a supply of the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a polyphase, in particular three-phase, inverter
  • Figure 2 is a schematic representation of a switch of the inverter of Figure 1 and
  • Figure 3 is a schematic representation of a primary node switch of
  • Figure 1 shows a schematic representation of a multi-phase, in particular three-phase inverter 10.
  • the inverter 10 includes a first entry terminal 25, a second entry terminal 26, a third
  • Entrance terminal 27 and a fourth input terminal 28 are included in Entrance terminal 27 and a fourth input terminal 28.
  • a positive pole of a first battery 21 is connected to the first input terminal 25.
  • a negative pole of the first battery 21 is connected to the second one
  • Input terminal 26 connected.
  • a positive pole of a second battery 22 is connected to the third input terminal 27.
  • a negative pole of the second battery 22 is connected to the fourth input terminal 28.
  • the first battery 21 supplies a first battery voltage U B1, which is present between the first input terminal 25 and the second input terminal 26.
  • the second battery 22 supplies a second battery voltage U B2, which is applied between the third input terminal 27 and the fourth input terminal 28.
  • the inverter 10 further includes a first phase output 51, a second phase output 52 and a third phase output 53.
  • a consumer 50 is connected to the phase outputs 51, 52, 53.
  • the consumer 50 is in the present case designed in three phases and has a first strand 61, a second strand 62 and a third strand 63.
  • the first strand 61 is connected to the first phase output 51
  • the second strand 62 is connected to the second phase output 52
  • the third strand 63 is connected to the third phase output 53.
  • the first strand 61 of the load 50 comprises a load, which in the present case is shown as a series circuit of an inductance and an ohmic load.
  • the second leg 62 comprises a load, which is shown as a series circuit of an inductance and a resistive load.
  • the third strand 63 includes a load referred to as
  • the first phase output 51 is assigned a first bridge circuit 31.
  • the second phase output 52 is a second bridge circuit 32
  • the third phase output 53 is assigned a third bridge circuit 33.
  • the first bridge circuit 31 comprises a first input switch S1 connected to the first input terminal 25 and to the first input terminal S1
  • Phase output 51 is connected.
  • the second bridge circuit 32 comprises a second input switch S6, which is connected to the first input terminal 25 and to the second phase output 52.
  • Bridge circuit 33 includes a third input switch Sil connected to the first input terminal 25 and to the third phase output 53.
  • the first bridge circuit 31 comprises a first primary node switch S2, which is connected to the second input terminal 26 and to a first node 41.
  • the second bridge circuit 32 includes a second one
  • Primary node switch S7 which is connected to the second input terminal 26 and to a second node 42.
  • the third bridge circuit 33 comprises a third primary node switch S12, which is connected to the second input terminal 26 and to a third node 43.
  • the first bridge circuit 31 comprises a first secondary node switch S3 which is connected to the third input terminal 27 and to the first node 41.
  • the second bridge circuit 32 includes a second one
  • the third bridge circuit 33 comprises a third secondary node switch S13, which is connected to the third
  • the first bridge circuit 31 includes a first tertiary node switch S5 connected to the fourth input terminal 28 and to the first node 41.
  • the second bridge circuit 32 includes a second one
  • the third bridge circuit 33 includes a third tertiary node circuit S15 connected to the fourth input terminal 28 and to the third node 43.
  • the first bridge circuit 31 includes a first output switch S4 connected to the first node 41 and to the first phase output 51.
  • the second bridge circuit 32 includes a second one
  • Output switch S9 which is connected to the second node 42 and the second phase output 52.
  • the third bridge circuit 33 includes a third output switch S14 connected to the third node 43 and to the third phase output 53.
  • the connected load 50 can be fed either from the first battery 21, from the second battery 22, as well as from a series circuit of the first battery 21 and second battery 22.
  • the consumer 50 can be powered by a parallel connection of the first battery 21 and second battery 22 with appropriate control of the switch Sl to S15.
  • the consumer 50 is supplied with alternating output voltages U1, U2, U3, which have a phase offset to each other.
  • Table 4 the consumer 50 is from a parallel circuit of the first
  • Battery voltage UB2 is a real parallel connection. Then:
  • Battery voltage UB2 there is no current flow through the diode 81.
  • the load 50 is fed exclusively by the first battery 21.
  • FIG. 2 shows schematically the structure of an input switch Sl, S6, Sil, an output switch S4, S9, S14, a secondary node switch S3, S8, S13 and a Tertiärknotenschalters S5, S10, S15.
  • the said switches each comprise a transistor 80, which in the present case is designed as a bipolar transistor.
  • the transistor 80 includes a base B, an emitter E, and a collector C.
  • the transistor 80 may also be implemented as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and in this case comprises a gate instead of the base B.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • a diode 81 is connected in parallel.
  • the base B is connected to a drive unit 82.
  • the transistor 80 can be turned off or turned on. Accordingly, the affected switch is opened or closed.
  • FIG. 3 shows a primary node switch S2, S7, S12.
  • the primary node switch S2, S7, S12 comprises a first transistor 80 and a second transistor 80 as well as a first diode 81 and a second diode 81.
  • the two transistors 80 are in the present case designed as a bipolar transistor and each comprise a base B, an emitter E and a collector C.
  • the transistors 80 may also be embodied as an insulated gate bipolar transistor (IG BT) and in this case each comprise a gate instead of the base B.
  • IG BT insulated gate bipolar transistor
  • each of the two transistors 80 Between the emitter E and the collector C of each of the two transistors 80, one of the two diodes 81 is connected in parallel.
  • the bases B of both transistors 80 are connected to a common drive unit 82. Both transistors 80 are driven by the common drive unit 82.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Wechselrichter (10) zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers (50), umfassend mehrere Eingangsterminals (25, 26, 27, 28) zum Anschluss von mindestens einer ersten Batterie (21) und einer zweiten Batterie (22) sowie mehrere Phasenausgänge (51, 52, 53) zum Anschluss des Verbrauchers (50), wobei jedem Phasenausgang (51, 52, 53) eine Brückenschaltung (31, 32, 33) mit ansteuerbaren Schaltern (S1, S2, S3, S4, S5; S6, S7, S8, S9, S10; S11, S12, S13, S14, S15) zugeordnet ist, durch die der Phasenausgang (51, 52, 53) mit verschiedenen Eingangsterminals (25, 26, 27, 28) verbindbar ist. Dabei weist jede Brückenschaltung (31, 32, 33) einen Eingangsschalter (S1; S6; S11), der mit einem ersten Eingangsterminal (25) und mit dem Phasenausgang (51, 52, 53) verbunden ist, mehrere Knotenschalter (S2, S3, S5; S7, S8, S10; S12, S13, S15), die mit den übrigen Eingangsterminals (26, 27, 28) und mit einem Knotenpunkt (41, 42, 43) verbunden sind, und einen Ausgangsschalter (S4; S9, S14), der mit dem Knotenpunkt (41, 42, 43) und mit dem Phasenausgang (51, 52, 53) verbunden ist, auf.

Description

Mehrphasiger Wechselrichter
Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Wechselrichter zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers, welcher mehrere Eingangsterminals zum
Anschluss von mindestens einer ersten Batterie und einer zweiten Batterie sowie mehrere Phasenausgänge zum Anschluss des Verbrauchers umfasst.
Stand der Technik
Zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers, beispielsweise eines dreiphasigen Elektromotors, ist es bekannt, Wechselrichter einzusetzen. Solche Wechselrichter werden auch als Inverter bezeichnet. Der Wechselrichter ermöglicht, den Verbraucher aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, zu speisen.
Wechselrichter werden insbesondere in Elektrofahrzeugen zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors eingesetzt. Wechselrichter werden
beispielsweise auch eingesetzt, um elektrischen Strom, der in einer
Photovoltaikanlage erzeugt wird, in ein vorhandenes Versorgungsnetz einzuspeisen.
Es sind Wechselrichter bekannt, an welche mehrere, beispielsweise zwei, Batterien anschließbar sind. Bei entsprechender Ansteuerung des
Wechselrichters kann der Verbraucher wahlweise aus der ersten Batterie, aus der zweiten Batterie oder aus einer Serienschaltung beider Batterien gespeist werden. Dadurch kann der Verbraucher mit verschieden hohen Spannungen versorgt werden. Derartige Wechselrichter werden auch als Multilevel-Inverter bezeichnet.
Ein gattungsgemäßer Wechselrichter ist aus der DE 10 2012 012 048 AI bekannt. Der Wechselrichter umfasst dabei mehrere Eingangsterminals, an die zwei Kondensatoren angeschlossen sind, sowie drei Phasenausgänge zum Anschluss einer Drehstrommaschine. Jedem der drei Phasenausgänge ist dabei eine Brückenschaltung mit ansteuerbaren Schaltern zugeordnet, durch die der jeweilige Phasenausgang mit den verschiedenen Eingangsterminals verbindbar ist.
Die DE 10 2012 212 556 AI offenbart eine elektrische Schaltung mit
ansteuerbaren Schaltern und mit zwei Phasenausgängen. Durch entsprechende Ansteuerung der Schalter sind drei verschiedene Spannungen zwischen den Phasenausgängen einstellbar.
Aus der DE 10 2013 215 572 AI geht eine Energiespeichervorrichtung mit zwei Phasenausgängen hervor. Die Energiespeichervorrichtung weist dabei mehrere Mehrspannungsstufen- Konverter auf, welche auch als Multilevel- Konverter bezeichnet werden.
In der DE 10 2011 056 135 AI ist Energieerzeugungsanlage offenbart, welche einen Generator und einen Wechselrichter aufweist. Der Wechselrichter ist dabei als Multilevel-Wechselrichter ausgebildet.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein mehrphasiger Wechselrichter zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers vorgeschlagen. Der Wechselrichter umfasst mehrere
Eingangsterminals zum Anschluss von mindestens einer ersten Batterie und einer zweiten Batterie sowie mehrere Phasenausgänge zum Anschluss des Verbrauchers. Dabei ist jedem Phasenausgang eine Brückenschaltung mit ansteuerbaren Schaltern zugeordnet, durch die der Phasenausgang mit verschiedenen Eingangsterminals verbindbar ist.
Erfindungsgemäß weist jede Brückenschaltung einen Eingangsschalter, mehrere Knotenschalter und einen Ausgangsschalter auf. Der Eingangsschalter jeder Brückenschaltung ist dabei mit einem ersten Eingangsterminal und mit dem Phasenausgang verbunden. Die Knotenschalter jeder Brückenschaltung sind mit einem der übrigen Eingangsterminals und mit einem Knotenpunkt verbunden. Der Ausgangsschalter jeder Brückenschaltung ist mit dem Knotenpunkt und mit dem Phasenausgang verbunden. Damit der Phasenausgang wahlweise mit dem ersten Eingangsterminal sowie mit dem Knotenpunkt verbindbar.
Vorzugsweise sind drei Phasenausgänge zum Anschluss eines dreiphasigen Verbrauchers, beispielsweise eine Drehstrommotors, vorgesehen.
Die Schalter umfassen mindestens einen Transistor, eine Diode sowie eine Ansteuereinheit. Die Diode ist dabei derart mit dem Transistor verschaltet, dass ein Strom in eine vorgegebene Richtung fließen kann, auch wenn der Transistor sperrt. Bei dem Transistor handelt es sich vorzugsweise um einen
Bipolartransistor oder um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (insulated gate bipolar transistor, IGBT).
Vorzugsweise sind das erste Eingangsterminal sowie ein zweites
Eingangsterminal zum Anschluss der ersten Batterie vorgesehen, und ein drittes Eingangsterminal sowie ein viertes Eingangsterminal sind zum Anschluss der zweiten Batterie vorgesehen.
Vorteilhaft ist der Wechselrichter derart ausgebildet, dass bei geöffneten
Schaltern das erste Eingangsterminal und das zweite Eingangsterminal galvanisch getrennt von dem dritten Eingangsterminal und von dem vierten Eingangsterminal sind.
Unter anderem weist jede Brückenschaltung einen Primärknotenschalter auf, der mit dem zweiten Eingangsterminal und mit dem Knotenpunkt verbunden ist. Der Primärknotenschalter ist somit mit der ersten Batterie verbunden, ebenso wie der Eingangsschalter.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Primärknotenschalter als Antiparallelschalter ausgeführt und umfassen jeweils zwei Transistoren, zwei Dioden sowie eine Ansteuereinheit. Die Dioden sind dabei derart mit den Transistoren verschaltet, dass in keine Richtung ein Strom fließen kann, wenn die Transistoren sperren. Vorteilhaft ist der Wechselrichter derart ausgebildet, dass, wenn beide Batterien angeschlossen sind, bei geöffneten Schaltern die erste Batterie galvanisch getrennt von der zweiten Batterie ist.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PHEV), insbesondere zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors, oder in einer Photovoltaikanlage. Der erfindungsgemäße
Wechselrichter ist prinzipiell überall einsetzbar, wenn zwei Batterien
anzuschließen sind.
Vorteile der Erfindung
Bei entsprechender Ansteuerung des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann der angeschlossene Verbraucher wahlweise aus der ersten Batterie, aus der zweiten Batterie oder aus einer Serienschaltung beider Batterien gespeist werden. Dadurch kann der angeschlossene Verbraucher mit verschieden hohen Spannungen versorgt werden. Damit weist der erfindungsgemäße
Wechselrichter die Funktionalität eines Multilevel-Inverters auf.
Zusätzlich kann der angeschlossene Verbraucher bei entsprechender
Ansteuerung des erfindungsgemäßen Wechselrichters auch aus einer
Parallelschaltung beider Batterien gespeist werden. Dadurch kann dem angeschlossenen Verbraucher bei gleicher Spannung ein höherer Strom geliefert werden.
Im Falle einer Parallelschaltung beider Batterien zur Speisung des
angeschlossenen Verbrauchers darf die Spannung der ersten Batterie größer als die Spannung der zweiten Batterie sein. Dabei wird der Verbraucher zunächst ausschließlich aus der ersten Batterie gespeist, welche die höhere Spannung und damit auch den höheren Ladezustand aufweist. Erst dann, wenn die erste Batterie soweit entladen ist, dass die Ladezustände der beiden Batterien annähernd gleich sind, wird der angeschlossene Verbraucher aus beiden Batterien gespeist. Bei einer solchen Parallelschaltung von einer ersten Batterie mit einem höheren Ladezustand und einer zweiten Batterie mit einem geringeren Ladezustand wird somit die erste Batterie zunächst soweit entladen, bis die Ladezustände beider Batterien annähernd angeglichen sind. Danach werden beide Batterien annähernd gleichartig entladen. Somit findet bei einer Speisung des
angeschlossenen Verbrauchers aus einer Parallelschaltung beider Batterien automatisch eine Angleichung der Ladezustände statt, was auch als Balancing bezeichnet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wechselrichters,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Schalters des Wechselrichters aus Figur 1 und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Primärknotenschalters des
Wechselrichters aus Figur 1.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Wechselrichters 10. Der Wechselrichter 10 umfasst dabei ein erstes Eingangsterminal 25, ein zweites Eingangsterminal 26, ein drittes
Eingangsterminal 27 und ein viertes Eingangsterminal 28.
Ein positiver Pol einer ersten Batterie 21 ist mit dem ersten Eingangsterminal 25 verbunden. Ein negativer Pol der ersten Batterie 21 ist mit dem zweiten
Eingangsterminal 26 verbunden. Ein positiver Pol einer zweiten Batterie 22 ist mit dem dritten Eingangsterminal 27 verbunden. Ein negativer Pol der zweiten Batterie 22 ist mit dem vierten Eingangsterminal 28 verbunden.
Die erste Batterie 21 liefert eine erste Batteriespannung U B1, welche zwischen dem ersten Eingangsterminal 25 und dem zweiten Eingangsterminal 26 anliegt. Die zweite Batterie 22 liefert eine zweite Batteriespannung U B2, welche zwischen dem dritten Eingangsterminal 27 und dem vierten Eingangsterminal 28 anliegt.
Der Wechselrichter 10 weist ferner einen ersten Phasenausgang 51, einen zweiten Phasenausgang 52 und einen dritten Phasenausgang 53 auf. Ein Verbraucher 50 ist mit den Phasenausgängen 51, 52, 53 verbunden. Der Verbraucher 50 ist vorliegend dreiphasig ausgeführt und weist einen ersten Strang 61, einen zweiten Strang 62 und einen dritten Strang 63 auf. Der erste Strang 61 ist dabei an den ersten Phasenausgang 51 angeschlossen, der zweite Strang 62 ist an den zweiten Phasenausgang 52 angeschlossen, und der dritte Strang 63 ist an den dritten Phasenausgang 53 angeschlossen.
Der erste Strang 61 des Verbrauchers 50 umfasst eine Last, welche vorliegend als eine Serienschaltung aus einer Induktivität und einem ohmschen Verbraucher dargestellt ist. Ebenso umfasst der zweite Strang 62 eine Last, welche als eine Serienschaltung aus einer Induktivität und einem ohmschen Verbraucher dargestellt ist. Auch der dritte Strang 63 umfasst eine Last, die als
Serienschaltung aus einer Induktivität und einem ohmschen Verbraucher dargestellt ist. Die Stränge 61, 62, 63 des Verbrauchers 50 sind an einem
Sternpunkt 60 zusammengeführt und miteinander verbunden.
Zwischen dem ersten Phasenausgang 51 und dem Sternpunkt 60 fällt eine erste Ausgangsspannung Ul ab. Zwischen dem zweiten Phasenausgang 52 und dem Sternpunkt 60 fällt eine zweite Ausgangsspannung U2 ab. Zwischen dem dritten Phasenausgang 53 und dem Sternpunkt 60 fällt eine dritte Ausgangsspannung U3 ab. Dem ersten Phasenausgang 51 ist eine erste Brückenschaltung 31 zugeordnet.
Dem zweiten Phasenausgang 52 ist eine zweite Brückenschaltung 32
zugeordnet. Dem dritten Phasenausgang 53 ist eine dritte Brückenschaltung 33 zugeordnet.
Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Eingangsschalter Sl, welcher mit dem ersten Eingangsterminal 25 und mit dem ersten
Phasenausgang 51 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten Eingangsschalter S6, welcher mit dem ersten Eingangsterminal 25 und mit dem zweiten Phasenausgang 52 verbunden ist. Die dritte
Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Eingangsschalter Sil, der mit dem ersten Eingangsterminal 25 und mit dem dritten Phasenausgang 53 verbunden ist.
Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Primärknotenschalter S2, welcher mit dem zweiten Eingangsterminal 26 und mit einem ersten Knotenpunkt 41 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten
Primärknotenschalter S7, welcher mit dem zweiten Eingangsterminal 26 und mit einem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Primärknotenschalter S12, welcher mit dem zweiten Eingangsterminal 26 und mit einem dritten Knotenpunkt 43 verbunden ist.
Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Sekundärknotenschalter S3, der mit dem dritten Eingangsterminal 27 und mit dem ersten Knotenpunkt 41 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten
Sekundärknotenschalter S8, der mit dem dritten Eingangsterminal 27 und mit dem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Sekundärknotenschalter S13, der mit dem dritten
Eingangsterminal 27 und mit dem dritten Knotenpunkt 43 verbunden ist. Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Tertiärknotenschalter S5, der mit dem vierten Eingangsterminal 28 und mit dem ersten Knotenpunkt 41 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten
Tertiärknotenschalter S10, der mit dem vierten Eingangsterminal 28 und mit dem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Tertiärknotenschaltung S15, der mit dem vierten Eingangsterminal 28 und mit dem dritten Knotenpunkt 43 verbunden ist.
Die erste Brückenschaltung 31 umfasst einen ersten Ausgangsschalter S4, der mit dem ersten Knotenpunkt 41 und mit dem ersten Phasenausgang 51 verbunden ist. Die zweite Brückenschaltung 32 umfasst einen zweiten
Ausgangsschalter S9, der mit dem zweiten Knotenpunkt 42 und mit dem zweiten Phasenausgang 52 verbunden ist. Die dritte Brückenschaltung 33 umfasst einen dritten Ausgangsschalter S14, der mit dem dritten Knotenpunkt 43 und mit dem dritten Phasenausgang 53 verbunden ist.
Bei entsprechender Ansteuerung der besagten Schalter Sl bis S15 kann der angeschlossene Verbraucher 50 wahlweise aus der ersten Batterie 21, aus der zweiten Batterie 22, sowie aus einer Serienschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist werden. Ebenso kann der Verbraucher 50 bei entsprechender Ansteuerung der Schalter Sl bis S15 von einer Parallelschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist werden. Dabei werden dem Verbraucher 50 alternierende Ausgangsspannungen Ul, U2, U3 zugeführt, welche zueinander einen Phasenversatz aufweisen.
In den folgenden Tabellen 1 bis 4 ist jeweils dargestellt, bei welcher Stellung der Schalter Sl bis S15 welche Ausgangsspannung Ul, U2, U3 an den Strängen 61, 62, 63 des Verbrauchers 50 anliegt.
Für alle Tabellen 1 bis 4 gilt:
1 Schalter geschlossen
leer Schalter offen
D Schalter offen, aber Stromfluss parallel zum Schalter durch Diode 81 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 U1 U2 U3
1 1 1 1 1/3 U 1/3 U -2/3 U
1 1 1 1 1 2/3 U -1/3 U -1/3 U
1 1 1 1 1/3 U -2/3 U 1/3 U
1 1 1 1 1 -1/3 U -1/3 U 2/3 U
1 1 1 1 -2/3 U 1/3 U 1/3 U
1 1 1 1 1 -1/3 U 2/3 U -1/3 U
Tabelle 1: der Verbraucher 50 wird ausschließlich von der ersten Batterie 21 gespeist. Dann gilt: U = UB1
Tabelle 2: der Verbraucher 50 wird ausschließlich von der zweiten Batterie 22 gespeist. Dann gilt: U = UB2
Tabelle 3: der Verbraucher 50 wird von einer Serienschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist. Dann gilt: U = UB1 + UB2
Tabelle 4: der Verbraucher 50 wird von einer Parallelschaltung aus erster
Batterie 21 und zweiter Batterie 22 gespeist. Dabei existieren mehrere Varianten. Sofern die erste Batteriespannung UB1 annähernd gleich der zweiten
Batteriespannung UB2 ist liegt eine echte Parallelschaltung vor. Dann gilt:
U = UB1= UB2. Solange die erste Batteriespannung UB1 deutlich größer als die zweite
Batteriespannung UB2 ist, so erfolgt kein Stromfluss durch die Diode 81. Der Verbraucher 50 wird ausschließlich von der ersten Batterie 21 gespeist.
Dann gilt:
U = UB1
Falls die erste Batteriespannung UB1 deutlich kleiner als die zweite
Batteriespannung UB2 ist, so darf keine Parallelschaltung aus erster Batterie 21 und zweiter Batterie 22 erfolgen. In diesem Fall verhindert eine hier nicht dargestellte Steuereinheit eine entsprechende Ansteuerung der der Schalter Sl bis S15 des Wechselrichters 10.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Eingangsschalters Sl, S6, Sil, eines Ausgangsschalters S4, S9, S14, eines Sekundärknotenschalters S3, S8, S13 sowie eines Tertiärknotenschalters S5, S10, S15. Die besagten Schalter umfassen jeweils einen Transistor 80, welcher vorliegend als Bipolartransistor ausgeführt ist. Der Transistor 80 umfasst eine Basis B, einen Emitter E und einen Kollektor C. Der Transistor 80 kann auch als Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (IGBT) ausgeführt sein und umfasst in diesem Fall eine Gate anstelle der Basis B.
Zwischen dem Emitter E und dem Kollektor C ist eine Diode 81 parallel geschaltet. Die Basis B ist mit einer Ansteuereinheit 82 verbunden. Durch entsprechende Ansteuerung mittels der Ansteuereinheit 82 kann der Transistor 80 gesperrt oder leitend geschaltet werden. Entsprechend wird der betroffene Schalter geöffnet oder geschlossen.
In Figur 3 ist ein Primärknotenschalter S2, S7, S12 dargestellt. Abweichend von dem in Figur 2 gezeigten Schalter umfasst der Primärknotenschalter S2, S7, S12 einen ersten Transistor 80 und einen zweiten Transistor 80 sowie eine erste Diode 81 und eine zweite Diode 81. Die beiden Transistoren 80 sind vorliegend als Bipolartransistor ausgeführt und umfassen jeweils eine Basis B, einen Emitter E und einen Kollektor C. Die Transistoren 80 können auch als Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (IG BT) ausgeführt sein und umfassen in diesem Fall jeweils eine Gate anstelle der Basis B.
Zwischen dem Emitter E und dem Kollektor C von jedem der beiden Transistoren 80 ist jeweils eine der beiden Dioden 81 parallel geschaltet. Die Basen B beider Transistoren 80 sind mit einer gemeinsamen Ansteuereinheit 82 verbunden. Beide Transistoren 80 werden von der gemeinsamen Ansteuereinheit 82 angesteuert.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Mehrphasiger Wechselrichter (10) zur Ansteuerung eines mehrphasigen Verbrauchers (50), umfassend
mehrere Eingangsterminals (25, 26, 27, 28) zum Anschluss von mindestens einer ersten Batterie (21) und einer zweiten Batterie (22) sowie mehrere Phasenausgänge (51, 52, 53) zum Anschluss des Verbrauchers (50), wobei
jedem Phasenausgang (51, 52, 53) eine Brückenschaltung (31, 32, 33) mit ansteuerbaren Schaltern (Sl, S2, S3, S4, S5; S6, S7, S8, S9, S10; Sil, S12, S13, S14, S15) zugeordnet ist, durch die der Phasenausgang (51, 52, 53) mit verschiedenen Eingangsterminals (25, 26, 27, 28) verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Brückenschaltung (31, 32, 33)
einen Eingangsschalter (Sl; S6; Sil), der mit einem ersten
Eingangsterminal (25) und mit dem Phasenausgang (51, 52, 53) verbunden ist,
mehrere Knotenschalter (S2, S3, S5; S7, S8, S10; S12, S13, S15), die mit den übrigen Eingangsterminals (26, 27, 28) und mit einem
Knotenpunkt (41, 42, 43) verbunden sind, und
einen Ausgangsschalter (S4; S9, S14), der mit dem Knotenpunkt (41,
42, 43) und mit dem Phasenausgang (51, 52, 53) verbunden ist, aufweist.
2. Wechselrichter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Phasenausgänge (51, 52, 53) zum Anschluss eines dreiphasigen Verbrauchers (50) vorgesehen sind.
Wechselrichter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalter (Sl, S2, S3, S4, S5; S6, S7, S8, S9, S10; Sil, S12, S13, S14, S15) mindestens einen Transistor (80), eine Diode (81) sowie eine Ansteuereinheit (82) umfassen.
Wechselrichter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Eingangsterminal (25) sowie ein zweites Eingangsterminal (26) zum Anschluss der ersten Batterie (21) vorgesehen sind, und dass ein drittes Eingangsterminal (27) sowie ein viertes Eingangsterminal (28) zum Anschluss der zweiten Batterie (22) vorgesehen sind.
Wechselrichter (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffneten Schaltern (Sl, S2, S3, S4, S5; S6, S7, S8, S9, S10; Sil, S12, S13, S14, S15)
das erste Eingangsterminal (25) und das zweite Eingangsterminal (26) galvanisch getrennt von dem dritten Eingangsterminal (27) und von dem vierten Eingangsterminal (28) sind.
Wechselrichter (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
jede Brückenschaltung (31, 32, 33) einen Primärknotenschalter (S2; S7; S12) aufweist, der mit dem zweiten Eingangsterminal (26) und mit dem Knotenpunkt (41, 42, 43) verbunden ist.
Wechselrichter (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärknotenschalter (S2; S7; S12) als Antiparallelschalter ausgeführt sind und jeweils zwei Transistoren (80), zwei Dioden (81) sowie eine Ansteuereinheit (82) umfassen.
Wechselrichter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
bei geöffneten Schaltern (Sl, S2, S3, S4, S5; S6, S7, S8, S9, S10; Sil, S12, S13, S14, S15) die erste Batterie (21) galvanisch getrennt von der zweiten Batterie (22) ist.
9. Verwendung des Wechselrichters (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (H EV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einer Photovoltaikanlage.
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