EP4029137A1 - Spannungswandler - Google Patents

Spannungswandler

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Publication number
EP4029137A1
EP4029137A1 EP20771824.8A EP20771824A EP4029137A1 EP 4029137 A1 EP4029137 A1 EP 4029137A1 EP 20771824 A EP20771824 A EP 20771824A EP 4029137 A1 EP4029137 A1 EP 4029137A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
converter
modules
direct
primary
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP20771824.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Levy FERREIRA COSTA
Marco Liserre
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.)
Christian Albrechts Universitaet Kiel
Original Assignee
Christian Albrechts Universitaet Kiel
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 Christian Albrechts Universitaet Kiel filed Critical Christian Albrechts Universitaet Kiel
Publication of EP4029137A1 publication Critical patent/EP4029137A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
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Definitions

  • the invention relates to a voltage converter for converting a primary-side alternating voltage at a first voltage level into a secondary-side alternating voltage at a second voltage level, the voltage converter having a direct voltage intermediate circuit in which a first direct voltage generated from the primary-side alternating voltage is generated by means of a direct voltage direct voltage Converter is converted into a second DC voltage.
  • Voltage conversion by such voltage converters using a DC voltage intermediate circuit is widespread in electrical energy supply technology, e.g. when converting voltage from a medium-voltage network to a low-voltage network.
  • the need to provide electrical energy in the form of DC voltage at a comparatively high voltage level is increasing in order to provide the power required to charge batteries.
  • the invention is based on the object of specifying an efficient and inexpensive possibility of providing such electrical energy.
  • a voltage converter of the type mentioned in that a decoupling circuit for providing a third DC voltage for connecting at least one consumer is coupled to the DC voltage intermediate circuit, in particular to its DC voltage to DC voltage converter.
  • the invention has the advantage that the electrical energy can be provided by the third DC voltage particularly efficiently and with little hardware expenditure. In this way, the invention can be cost- Realize cheaply.
  • Another advantage is that commercially available or existing voltage converters can be used for this purpose by simply adding the decoupling circuit to provide the third DC voltage.
  • the voltage converter can optionally be used as a step-up converter, step-down converter or isolating element between the connected AC voltage networks. If the voltage converter is designed as a step-up converter, the first voltage level is lower than the second voltage level. If the voltage converter is designed as a step-down converter, the second voltage level is lower than the first voltage level. If the voltage converter is designed as an isolating element, the first voltage level is at least approximately equal to the second voltage level.
  • the first DC voltage can be smaller, larger or equal to the second DC voltage.
  • the third DC voltage can be smaller, larger or equal to the first and / or the second DC voltage. It is advantageous, for example, if the third direct voltage is at least approximately equal to the first direct voltage.
  • the voltage converter can be designed, for example, in the form of a neutral point clampled (NPC), a modular multilevel converter (MMC) or a cascaded F1 bridge (CFIB).
  • NPC neutral point clampled
  • MMC modular multilevel converter
  • CFIB cascaded F1 bridge
  • the CFIB topology is used in the following exemplary embodiments.
  • the CFIB topology does not have its own option for providing a third DC voltage for connecting at least one load. This disadvantage is overcome by the decoupling circuit according to the invention.
  • the first voltage level is the voltage level of an alternating current medium-voltage voltage network and the second voltage level is the voltage level of an alternating current low-voltage network.
  • the invention can be used particularly efficiently for realizing the electrical energy supply of direct voltage consumers at a relatively high voltage level, for example for supplying charging stations for electric vehicles.
  • the decoupling circuit is electrically and / or magnetically integrated into the DC voltage / DC voltage converter.
  • Such an integration of the decoupling circuit in the DC-DC voltage converter has the advantage that the decoupling circuit can be kept simple in terms of hardware complexity.
  • the decoupling circuit can, for example, be inductively supplied with electrical energy from the DC-DC converter, which has the advantage that the actual function of the DC-DC converter for converting the first DC voltage into the second DC voltage is not or only insignificantly being affected.
  • the DC-DC converter is modularly constructed from a plurality of individual DC-DC converter modules that are connected in parallel to one another on the secondary side.
  • Such a modular structure has the advantage that the entire voltage converter can be optimized with regard to susceptibility to errors and failure safety and can be scaled to various orders of magnitude due to the number of DC-DC converter modules used. It is easy to exchange individual DC-DC converter modules for repair purposes.
  • the voltage converter is designed as a step-down converter, it is advantageous, for example, to connect the DC-DC converter modules in parallel to one another on the secondary side.
  • a second direct voltage is provided with a voltage level that is lower than the first direct voltage, the available currents being increased due to the parallel connection.
  • the DC-DC converter modules are connected on the primary side either directly in series or in series via AC-DC converter modules. In this way, the voltage load on the primary side of the DC-DC converter modules can be distributed over a large number of modules, so that the individual modules can be constructed in a comparatively simple and inexpensive manner. Nevertheless, due to this series connection, a comparatively high primary-side first direct voltage can be processed.
  • a decoupling module is added to some or all of the DC-DC converter modules on the primary side, the decoupling modules being interconnected to form the decoupling circuit.
  • the decoupling circuit can also be implemented in a modular manner, so that the voltage converter also realizes the advantages of modularity with regard to the decoupling circuit, such as scalability and advantages in terms of reliability and repair, e.g. by allowing individual decoupling modules to be exchanged in the event of a fault.
  • the decoupling modules are connected in series with one another in order to provide the third DC voltage.
  • the decoupling circuit is thus formed by the series connection of the decoupling modules.
  • the third direct voltage can thus be provided at a high voltage level in a simple manner.
  • a DC-DC converter module has a primary-side converter cell and a secondary-side converter cell, which are coupled to one another via galvanically separated windings of a transformer.
  • the converter cells can, for example, have a pulse-controlled semiconductor circuit.
  • the decoupling module is coupled to a further winding of the transformer, so that the decoupling module is inductively supplied with electrical energy via the transformer.
  • the decoupling module is galvanically decoupled from the other components of the DC-DC converter, so that their functionality is not influenced.
  • the transformer can be designed, for example, as a multi-turn transformer.
  • the decoupling module can be coupled to the transformer on the primary side, ie on the first direct voltage (MVDC) side, and / or on the secondary side, ie on the second direct voltage (LVDC) side.
  • the transformer has a magnetic core on which the windings of the transformer are arranged. This allows a particularly efficient inductive energy transfer between the windings.
  • the DC-DC converter modules can be designed, for example, as a multiple active bridge, full resonant topology, current source topology, impedance source topology or the like with a respective transformer connected between the primary side and the secondary side of a converter module.
  • a multiple active bridge can be implemented, for example, in the form of a dual active bridge or a quadruple active bridge.
  • switched power semiconductors are used.
  • pulsed, square-wave signals are generated via the power semiconductors on both sides, ie the primary side and the secondary side, by pulsed switching of the power semiconductors. The energy transfer takes place via a phase shift between the signals between the primary side and the secondary side (phase shift modulation).
  • the multiple active bridge uses high-frequency transmission.
  • the transformer required for this requires little space compared to low frequency transmission, so that such voltage converters can be implemented in a more compact and correspondingly more cost-effective manner.
  • the indefinite term “a” is not to be understood as a numerical word. If, for example, a component is mentioned, this is to be interpreted in the sense of “at least one component”.
  • the abbreviation DC stands for direct current
  • the abbreviation AC for alternating current.
  • FIG. 1 shows a voltage converter in a block diagram and FIG. 2 shows a voltage converter in the form of a Cascaded F1-Bridge (CFIB) and FIG. 3 shows a DC-DC converter module and FIG. 4 shows the switching of a phase of the voltage converter according to FIG. 2 using DC -DC converter modules according to Figure 3 and
  • CFIB Cascaded F1-Bridge
  • FIG. 5 shows the topology of the entire voltage converter using DC-DC converter modules according to FIG. 3 and FIG. 6 shows the voltage converter according to FIG. 5
  • Figure 7 shows an alternative embodiment of the circuit of a phase of the voltage converter
  • FIG. 8 shows a voltage converter with a modular multilevel converter
  • FIG. 9 shows the circuit of one phase of the voltage converter according to FIG. 2 with an alternative form of the decoupling modules; and FIG. 10 shows the circuit of one phase of the voltage converter with the provision of the third direct voltage at a different voltage level.
  • the reference symbols used in the figures have the following assignment:
  • LVDC2 third DC voltage 1 shows the voltage converter 1 in an electrical energy supply system in which a primary-side AC voltage network 13, e.g. a three-phase AC medium-voltage network, is coupled to a secondary-side AC voltage network 14, e.g. a four-line AC low-voltage network.
  • a primary-side AC voltage network 13 e.g. a three-phase AC medium-voltage network
  • a secondary-side AC voltage network 14 e.g. a four-line AC low-voltage network.
  • the primary-side AC voltage network 13 is connected to a DC voltage intermediate circuit 3, 5, 6 via an AC-DC converter 2.
  • the AC-DC converter 2 converts a primary-side alternating voltage MVAC at a first voltage level into a first direct voltage MVDC.
  • a DC-DC voltage converter 3 which is coupled to the DC voltage output of the AC-DC converter 2 via a primary-side DC voltage circuit 5 and which is thus supplied with the first DC voltage MVDC .
  • the DC-DC converter 3 converts the first DC voltage MVDC into a second DC voltage LVDC.
  • the DC-DC voltage converter 3 is coupled to a DC-AC converter 4 via a secondary-side DC voltage circuit 6.
  • the DC-AC converter 4 converts the second direct voltage LVDC supplied to it by the direct voltage-direct voltage converter 3 into a secondary-side alternating voltage LVAC of the secondary-side alternating current network 14.
  • an electrical system 12 can be connected, which is operated with a direct voltage at a low voltage level LVDC, e.g. a photovoltaic system that is connected via a DC-DC converter 11 to a coupling network 8 via which the electrical system 12 is connected to the secondary-side DC voltage circuit 6.
  • LVDC low voltage level
  • FIG. 1 also shows a consumer 10 which is operated with a third direct voltage MVDC2 at a high voltage level. It can be a charging station for electric vehicles, for example, which is coupled to the third DC voltage MVDC2 via a DC-DC converter 9.
  • the third DC voltage MVDC2 is provided via a decoupling circuit 7 which is coupled to the DC voltage intermediate circuit 3, 5, 6, in particular to the DC-DC converter 3. Explanations are given below about advantageous types of this coupling of the decoupling circuit 7 with the DC-DC converter 3.
  • FIG. 2 shows a voltage converter in CFIB topology.
  • the circuit components for one phase (phase C) of the three-phase primary-side AC voltage network 13 are specified in detail.
  • a comparable circuit is included for the other phases A, B, which is shown only as a block for the sake of simplicity.
  • the circuit in a phase A, B, C initially has a series circuit of primary-side AC-DC converter modules 20 which together (as a series circuit) form the AC-DC converter 2 of a phase A, B, C.
  • the AC-DC converter 2 can also have a modular structure.
  • a DC-DC converter module 37 is connected after a respective AC-DC converter module 20.
  • the entirety of the DC-DC converter modules 37 forms the DC-DC converter 3.
  • the DC-DC converter modules 37 can be connected in parallel on the secondary side and are then connected to the DC voltage connection of the DC-AC converter 4 connected.
  • the individual DC-DC converter modules 37 can have a structure with 2 converter cells 30, 32 each connected via a transformer 31. In this way, a DC-DC converter module can be designed as a multiple active bridge, for example.
  • FIG. 3 shows the expansion of a DC-DC converter module 37 by a decoupling module 36.
  • the decoupling module 36 can, for example, be inductively connected to the converter cells 30, 32 in that the transformer 31 is expanded by an additional winding 35.
  • the transformer 31 may have a magnetic core 34 on which the windings 33, 35 are arranged in order to increase the degree of coupling between the windings 33, 35.
  • the decoupling module 36 can be designed, for example, as a DC-DC converter cell, which has a similar functionality and a similar structure to the converter cells 30, 32.
  • FIG. 4 shows the integration of DC-DC converter modules 37 of the type described with reference to FIG. 3 using a section of the voltage converter of FIG. 2, which only shows the structure of phase C. It can be seen in particular that the individual decoupling modules 36 in Are connected in series. The desired third DC voltage MVDC2 can be tapped off via the series connection of the decoupling modules 36, which thus represent the decoupling circuit 7.
  • FIG. 5 shows, in a highly schematic manner, the integration of the DC-DC converter modules 37 in the complete voltage converter according to FIG. 2.
  • a DC-DC converter module m1 is only shown in full on the basis of phase C, the remaining modules being m2 to mn similarly structured.
  • a third direct voltage MVDC2 which is decoupled from other third direct voltages MVDC2, can be obtained from each phase A, B, C.
  • three separate loads 10 can be supplied with the third DC voltage MVDC2 via Flier. It is also possible to connect two or all three of the branches carrying the third DC voltage MVDC2 in parallel or in series. With a parallel connection, the available current can be increased; with a series connection, the available DC voltage can be increased.
  • FIG. 6 shows such a parallel connection of all three branches carrying the third direct voltage MVDC2.
  • the invention thus also allows the third DC voltage MVDC2 provided via the coupling-out circuit to be scaled, both in terms of the voltage level and in terms of the available current.
  • the various third DC voltages MVDC2 provided via the individual phases A, B, C are galvanically decoupled from one another, which opens up a large number of possible applications and interconnection options.
  • a variety of Control and error reaction scenarios can be implemented.
  • the implementation of the voltage converter in a CHB topology can be implemented advantageously, since the CHB topology is already established in power supply technology and is well received.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the voltage converter in which the AC-DC converter modules 20, previously described as individual components with reference to FIG. 4, and the respective converter cell 30 of a DC-DC converter module 37 can be combined, for example as an integrated one Converter module 40. Otherwise, the decoupling circuit can remain identical. In the embodiment according to FIG. 7, a direct input-side processing of an alternating voltage from the primary-side alternating voltage network 13 is thus possible.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the voltage converter based on a phase as shown in FIG. 4, the primary-side AC voltage network 13 being connected to the DC voltage input side of the DC-DC converter modules 37 via a modular multilevel converter 39 .
  • the modular multilevel converter 37 therefore replaces the individual AC-DC converters 20 in this case.
  • the decoupling circuit has a fundamentally bidirectional functionality due to the bidirectional mode of operation of the decoupling modules 36 used.
  • this decoupling circuit can also be unidirectional.
  • unidirectional modules 38 can be used, which, for example, can be designed as full diode bridges in terms of circuitry, as shown in FIG. The power flow can still be controlled independently.
  • the decoupling module 36 was used in such a way that the third direct voltage is provided at a comparatively high direct voltage level.
  • the decoupling module 36 can alternatively be connected and configured in such a way that the third DC voltage is a voltage LVDC2 at a low voltage level.
  • veau is provided, which is advantageous, for example, if separate loads are to be supplied at the voltage level LVDC2.
  • an additional electrical energy supply can be provided for charging electric vehicles.
  • This topology is particularly advantageous with a cascaded H-Bridge (CHB) topology on the input side.
  • CHB cascaded H-Bridge
  • the additional LVDC intermediate circuit (LVDC2) enables the asymmetries in the CHB to be compensated for in the event of different loads.
  • the outputs of the decoupling circuits 7 can be connected in parallel. It is also possible to implement the DC-DC converter module 37 with coupling-out modules 36 on both sides, such that on the one hand a third DC voltage MVDC2 at a high voltage level and on the other hand a third DC voltage LVDC2 at a low voltage level is provided.

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Abstract

Spannungswandler zur Wandlung einer primärseitigen Wechselspannung auf einem ersten Spannungsniveau in eine sekundärseitige Wechselspannung (auf einem zweiten Spannungsniveau, wobei der Spannungswandler einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, in dem eine aus der primärseitigen Wechselspannung erzeugte erste Gleichspannung mittels eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers in eine zweite Gleichspannung gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskopplungsschaltung zur Bereitstellung einer dritten Gleichspannung zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers mit dem Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt ist, insbesondere mit dessen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler.

Description

Spannungswandler
Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler zur Wandlung einer primärseitigen Wechselspannung auf einem ersten Spannungsniveau in eine sekundärseitige Wechselspannung auf einem zweiten Spannungsniveau, wobei der Spannungs wandler einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, in dem eine aus der primär seitigen Wechselspannung erzeugte erste Gleichspannung mittels eines Gleichspan- nungs-Gleichspannungs-Wandlers in eine zweite Gleichspannung gewandelt wird.
Die Spannungswandlung durch solche Spannungswandler mittels eines Gleichspan- nungszwischenkreises ist in der elektrischen Energieversorgungstechnik weit verbrei tet, z.B. bei der Spannungswandlung von einem Mittelspannungsnetz auf ein Nieder spannungsnetz. Im Zuge der Energiewende und der zunehmenden Verfügbarkeit elektrisch betriebener Straßenverkehrsfahrzeuge steigt der Bedarf an der Bereitstel lung elektrischer Energie in Form von Gleichspannung auf vergleichsweise hohem Spannungsniveau, um die für das Aufladen von Akkumulatoren erforderliche Leis tung bereitzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente und kostengünstige Mög lichkeit zur Bereitstellung solcher elektrischer Energie anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Spannungswandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Auskopplungsschaltung zur Bereitstellung einer dritten Gleichspannung zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers mit dem Gleich spannungszwischenkreis gekoppelt ist, insbesondere mit dessen Gleichspannungs- Gleichspannungs-Wandler. Die Erfindung hat den Vorteil, dass die elektrische Ener gie durch die dritte Gleichspannung besonders effizient und mit wenig Hardwareauf wand bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise lässt sich die Erfindung kosten- günstig realisieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass handelsübliche oder bereits vorhan dene Spannungswandler hierfür eingesetzt werden können, indem diese lediglich um die Auskopplungsschaltung zur Bereitstellung der dritten Gleichspannung erweitert werden.
Der Spannungswandler kann wahlweise als Aufwärtswandler, Abwärtswandler oder Trennglied zwischen den angeschlossenen Wechselspannungsnetzen eingesetzt werden. Ist der Spannungswandler als Aufwärtswandler ausgebildet, ist das erste Spannungsniveau geringer als das zweite Spannungsniveau. Ist der Spannungs wandler als Abwärtswandler ausgebildet, ist das zweite Spannungsniveau geringer als das erste Spannungsniveau. Ist der Spannungswandler als Trennglied ausgebil det, ist das erste Spannungsniveau zumindest ungefähr gleich dem zweiten Span nungsniveau.
Die erste Gleichspannung kann kleiner, größer oder gleich der zweiten Gleichspan nung sein. Im Falle eines Abwärtswandlers ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die zweite Gleichspannung geringer ist als die erste Gleichspannung.
Die dritte Gleichspannung kann kleiner, größer oder gleich der ersten und/oder der zweiten Gleichspannung sein. Es ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die dritte Gleichspannung zumindest ungefähr gleich der ersten Gleichspannung ist.
Der Spannungswandler kann hinsichtlich seiner übergeordneten Schaltungstopologie beispielsweise in Form eines Neutral-Point-Clampled (NPC), eines Modular Multilevel Converter (MMC) oder einer Cascaded Fl-Bridge (CFIB) ausgebildet sein. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die CFIB-Topologie eingesetzt. Typi scherweise weist die CFIB-Topologie aber keine eigene Möglichkeit zur Bereitstel lung einer dritten Gleichspannung zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers auf. Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Auskopplungsschaltung über wunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wechselstrom-Mittelspan- nungsnetzes und das zweite Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wech selstrom-Niederspannungsnetzes ist. Auf diese Weise kann die Erfindung besonders effizient zur Realisierung der elektrischen Energieversorgung von Gleichspannungs- Verbrauchern auf relativ hohem Spannungsniveau eingesetzt werden, z.B. zur Ver sorgung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auskopplungsschaltung elektrisch und/oder magnetisch in den Gleichspannungs- Gleichspannungs-Wandler integriert ist. Eine solche Integration der Auskopplungs schaltung in den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler hat den Vorteil, dass die Auskopplungsschaltung hinsichtlich des Hardwareaufwands einfach gehalten werden kann. Die Auskopplungsschaltung kann beispielsweise induktiv aus dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler mit elektrischer Energie versorgt wer den, was den Vorteil hat, dass die eigentliche Funktion des Gleichspannungs-Gleich- spannungs-Wandlers zur Wandlung der ersten Gleichspannung in die zweite Gleich spannung nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler modular aus einer Vielzahl von einzel nen DC-DC-Wandler-Modulen aufgebaut ist, die sekundärseitig parallel zueinander geschaltet sind. Ein solcher modularer Aufbau hat den Vorteil, dass der gesamte Spannungswandler hinsichtlich Fehleranfälligkeit und Ausfallsicherheit optimiert wer den kann und durch die Anzahl der verwendeten DC-DC-Wandler-Module in ver schiedenen Größenordnungen skalierbar ist. Ein Austausch einzelner DC-DC-Wand- ler-Module zur Reparaturzwecken ist auf einfache Weise möglich.
Ist der Spannungswandler als Abwärtswandler ausgebildet, ist es z.B. vorteilhaft, die DC-DC-Wandler-Module sekundärseitig parallel zueinander zu schalten. Auf diese Weise wird eine zweite Gleichspannung mit gegenüber der ersten Gleichspannung verringertem Spannungsniveau bereitgestellt, wobei die verfügbaren Ströme auf grund der Parallelschaltung erhöht werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die DC- DC-Wandler-Module primärseitig entweder unmittelbar in Reihe oder über AC-DC- Wandler-Module in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise kann die primärseitige Spannungsbelastung der DC-DC-Wandler-Module auf eine Vielzahl von Modulen verteilt werden, sodass die einzelnen Module vergleichsweise einfach und kosten günstig aufgebaut sein können. Dennoch kann aufgrund dieser Reihenschaltung eine vergleichsweise hohe primärseitige erste Gleichspannung verarbeitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass einigen oder allen der DC-DC-Wandler-Module primärseitig ein Auskopplungsmodul hinzuge fügt ist, wobei die Auskopplungsmodule miteinander zu der Auskopplungsschaltung verschaltet sind. Auf diese Weise kann auch die Auskopplungsschaltung modular re alisiert werden, sodass der Spannungswandler auch hinsichtlich der Auskopplungs schaltung die Vorteile der Modularität realisiert, wie Skalierbarkeit und Vorteile bei der Ausfallsicherheit und der Reparatur, z.B. indem im Fehlerfall einzelne Auskopp lungsmodule getauscht werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auskopplungsmodule in Reihe miteinander geschaltet sind, um die dritte Gleichspan nung bereitzustellen. Die Auskopplungsschaltung wird somit durch die Reihenschal tung der Auskopplungsmodule gebildet. Somit kann auf einfache Weise die dritte Gleichspannung auf hohem Spannungsniveau bereitgestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein DC- DC-Wandler-Modul eine primärseitige Wandlerzelle und eine sekundärseitige Wand lerzelle aufweist, die miteinander über galvanisch getrennte Wicklungen eines Trans formators gekoppelt sind. Dies ermöglicht es, auch die einzelnen DC-DC-Wandler- Module ihrerseits modular zu realisieren. Im Fehlerfall kann dann nur das defekte Teil ausgetauscht werden, wie z.B. nur eine primärseitige Wandlerzelle oder nur eine sekundärseitige Wandlerzelle. Die Wandlerzellen können beispielsweise eine getak tet betriebene Flalbleiterschaltung aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Auskopplungsmodul mit einer weiteren Wicklung des Transformators gekoppelt ist, sodass das Auskopplungsmodul induktiv über den Transformator mit elektrischer Energie versorgt ist. Auf diese Weise ist das Auskopplungsmodul galvanisch von den anderen Komponenten des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers entkop pelt, sodass deren Funktionsweise nicht beeinflusst wird. Der Transformator kann z.B. als Vielfachwindungs-Transformator ausgebildet sein. Je nach zu erzeugender dritter Gleichspannung kann das Auskopplungsmodul primärseitig, d.h. auf der Seite der ersten Gleichspannung (MVDC), und/oder sekundärseitig, d.h. auf der Seite der zweiten Gleichspannung (LVDC), mit dem Transformator gekoppelt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Transformator einen magnetischen Kern aufweist, auf dem die Wicklungen des Transformators angeordnet sind. Dies erlaubt eine besonders effiziente induktive Energieübertragung zwischen den Wicklungen.
Die DC-DC-Wandler-Module können beispielsweise als multiple-active-bridge, full re- sonant-Topologie, Stromquellen-Topologie, Impedanzquellen-Topologie oder ähnli ches mit einem jeweiligen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite eines Wandlermoduls geschalteten Transformator ausgebildet sein. Eine multiple-active- bridge kann z.B. in Form einer dual-active-bridge oder einer quadruple-active-bridge realisiert sein. Bei dieser Art von Spannungswandlern werden geschaltete Leistungs halbleiter eingesetzt. Zur Energieübertragung zwischen der Primärseite und der Se kundärseite werden über die Leistungshalbleiter auf beiden Seiten, d.h. der Primär seite und der Sekundärseite, durch getaktetes Schalten der Leistungshalbleiter ge pulste, rechteckförmige Signale erzeugt. Die Energieübertragung erfolgt über einen Phasenversatz zwischen den Signalen zwischen der Primärseite und der Sekundär seite (phase shift modulation). Auch andere Regelungen, wie z.B. Tastgrad-Rege- lung oder ähnlich, können vorteilhaft eingesetzt werden. Im Vergleich zu konventio nellen Spannungswandlern, die mit vergleichsweise geringer Frequenz betrieben werden, kommt bei der multiple-active-bridge eine Hochfrequenzübertragung zum Einsatz. Der hierfür benötigte Transformator benötigt im Vergleich zur Niedrigfre quenzübertragung wenig Platz, sodass solche Spannungswandler kompakter und dementsprechend kostengünstiger realisiert werden können. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem unbestimmten Begriff „ein“ kein Zahlwort zu verstehen. Wenn also z.B. von einem Bauteil die Rede ist, so ist dies im Sinne von „mindestens einem Bauteil“ zu interpretieren. Die Abkürzung DC steht da bei für Gleichspannung (direct current), die Abkürzung AC für Wechselspannung (al- ternating current).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwen dung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen Spannungswandler in Blockdiagramm-Darstellung und Figur 2 einen Spannungswandler in Form einer Cascaded Fl-Bridge (CFIB) und Figur 3 ein DC-DC-Wandler-Modul und Figur 4 die Schaltung einer Phase des Spannungswandlers gemäß Figur 2 unter Verwendung von DC-DC-Wandler-Modulen gemäß Figur 3 und
Figur 5 die Topologie des gesamten Spannungswandlers unter Verwendung von DC-DC-Wandler-Modulen gemäß Figur 3 und Figur 6 den Spannungswandler gemäß Figur 5 mit miteinander parallel ge schalteten Auskopplungsschaltungen und
Figur 7 eine alternative Ausführungsform der Schaltung einer Phase des Spannungswandlers und
Figur 8 einen Spannungswandler mit einem Modular Multilevel Converter und
Figur 9 die Schaltung einer Phase des Spannungswandlers gemäß Figur 2 mit einer alternativen Form der Auskopplungsmodule und Figur 10 die Schaltung einer Phase des Spannungswandlers mit Bereitstel lung der dritten Gleichspannung auf einem anderen Spannungsni veau. Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen haben folgende Zuordnung:
1 Spannungswandler
2 AC-DC-Wandler
3 Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler
4 DC-AC-Wandler
5 primärseitiger Gleichspannungskreis
6 sekundärseitiger Gleichspannungskreis
7 Auskopplungsschaltung
8 Ankopplungsnetzwerk
9 DC-DC-Wandler
10 Verbraucher
11 DC-DC-Wandler
12 Elektrische Anlage
13 primärseitiges Wechselspannungsnetz
14 sekundärseitiges Wechselspannungsnetz
20 AC-DC-Wandler-Module
30 Wandlerzelle
31 Transformator
32 Wandlerzelle
33 Wicklung
34 Kern
35 Wicklung
36 Auskopplungsmodul
37 DC-DC-Wandler-Modul
38 Dioden-Vollbrücke
39 Modular Multilevel Converter
40 integriertes Wandlermodul
MVAC primärseitige Wechselspannung
MVDC erste Gleichspannung
LVAC sekundärseitige Wechselspannung
LVDC zweite Gleichspannung
MVDC2,
LVDC2 dritte Gleichspannung Die Figur 1 zeigt den Spannungswandler 1 in einem elektrischen Energieversor gungssystem, bei dem ein primärseitiges Wechselspannungsnetz 13, z.B. ein drei phasiges Wechselstrom-Mittelspannungsnetz, mit einem sekundärseitigen Wechsel spannungsnetz 14 gekoppelt ist, z.B. einem Vierleitungs-Wechselstrom-Niederspan- nungsnetz.
Das primärseitige Wechselspannungsnetz 13 ist über einen AC-DC-Wandler 2 mit ei nem Gleichspannungszwischenkreis 3, 5, 6 verbunden. Durch den AC-DC-Wandler 2 wird eine primärseitige Wechselspannung MVAC auf einem ersten Spannungsniveau in eine erste Gleichspannung MVDC gewandelt. In dem Gleichspannungszwischen kreis 3, 5, 6 ist ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 vorhanden, der über einen primärseitigen Gleichspannungskreis 5 mit dem Gleichspannungs-Aus- gang des AC-DC-Wandlers 2 gekoppelt ist und dem somit die erste Gleichspannung MVDC zugeführt wird. Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 wandelt die erste Gleichspannung MVDC in eine zweite Gleichspannung LVDC. Der Gleich- spannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 ist über einen sekundärseitigen Gleichspan nungskreis 6 mit einem DC-AC-Wandler 4 gekoppelt. Der DC-AC-Wandler 4 wandelt die ihm vom Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3 zugeführte zweite Gleichspannung LVDC in eine sekundärseitige Wechselspannung LVAC des sekun därseitigen Wechselstromnetzes 14.
Im sekundärseitigen Gleichspannungskreis 6 kann eine elektrische Anlage 12 ange schlossen sein, die mit einer Gleichspannung auf geringem Spannungsniveau LVDC betrieben ist, z.B. eine Photovoltaikanlage, die über einen DC-DC-Wandler 11 mit ei nem Ankopplungsnetzwerk 8 verbunden ist, über das die elektrische Anlage 12 mit dem sekundärseitigen Gleichspannungskreis 6 verbunden ist.
Die Figur 1 zeigt zudem einen Verbraucher 10, der mit einer dritten Gleichspannung MVDC2 auf hohem Spannungsniveau betrieben wird. Es kann sich z.B. um eine La destation für Elektrofahrzeuge handeln, die über einen DC-DC-Wandler 9 mit der dritten Gleichspannung MVDC2 gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird die dritte Gleichspannung MVDC2 über eine Auskopplungsschaltung 7 bereitgestellt, die mit dem Gleichspannungszwischenkreis 3, 5, 6 gekoppelt ist, insbesondere mit dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 3. Über vorteilhafte Arten dieser Kopp lung der Auskopplungsschaltung 7 mit dem Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandler 3 werden nachfolgend noch Erläuterungen gegeben.
Zunächst soll anhand der Figur 2 der normale (bekannte) Aufbau eines Spannungs wandlers ohne eine solche Auskopplungsschaltung 7 beschrieben werden. Die Figur 2 zeigt einen Spannungswandler in CFIB-Topologie. Im rechten Teil der Figur 2 sind dabei die Schaltungskomponenten für eine Phase (Phase C) des dreiphasigen pri märseitigen Wechselspannungsnetzes 13 detailliert angegeben. Für die anderen Phasen A, B ist eine vergleichbare Schaltung enthalten, die zur Vereinfachung nur als Block wiedergegeben ist. Die Schaltung in einer Phase A, B, C weist zunächst eine Reihenschaltung von primärseitigen AC-DC-Wandler-Modulen 20 auf, die insge samt (als Reihenschaltung) den AC-DC-Wandler 2 einer Phase A, B, C ausbilden. Auf diese Weise kann auch der AC-DC-Wandler 2 modular aufgebaut sein.
Einem jeweiligen AC-DC-Wandlermodul 20 ist ein DC-DC-Wandler-Modul 37 nach geschaltet. Die Gesamtheit der DC-DC-Wandler-Module 37 bildet den Gleichspan- nungs-Gleichspannungs-Wandler 3. Die DC-DC-Wandler-Module 37 können sekun därseitig parallel geschaltet sein und sind dann mit dem Gleichspannungsanschluss des DC-AC-Wandlers 4 verbunden. Die einzelnen DC-DC-Wandler-Module 37 kön nen einen Aufbau mit jeweils 2 über einen Transformator 31 verbundenen Wandler zellen 30, 32 aufweisen. Ein DC-DC-Wandler-Modul kann auf diese Weise z.B. als multiple-active-bridge ausgebildet sein.
Die Figur 3 zeigt als einen Aspekt der vorliegenden Erfindung die Erweiterung eines DC-DC-Wandler-Moduls 37 um ein Auskopplungsmodul 36. Erkennbar ist, dass die Wandlerzellen 30, 32 über Wicklungen 33 des Transformators 31 miteinander induk tiv gekoppelt sind. Das Auskopplungsmodul 36 kann z.B. induktiv mit den Wandler zellen 30, 32 verbunden sein, indem der Transformator 31 um eine zusätzliche Wick lung 35 erweitert wird. Der Transformator 31 kann einen magnetischen Kern 34 auf weisen, auf dem die Wicklungen 33, 35 angeordnet sind, um den Kopplungsgrad zwischen den Wicklungen 33, 35 zu erhöhen. Das Auskopplungsmodul 36 kann z.B. als DC-DC-Wandlerzelle ausgebildet sein, die eine ähnliche Funktonalität und einen ähnlichen Aufbau wie die Wandlerzellen 30, 32 aufweist. Die Figur 4 zeigt anhand eines Ausschnitts des Spannungswandlers der Figur 2, der nur den Aufbau der Phase C zeigt, die Integration von DC-DC-Wandlermodulen 37 der anhand der Figur 3 beschriebenen Art. Erkennbar ist insbesondere, dass die ein zelnen Auskopplungsmodule 36 in Reihe geschaltet sind. Über die Reihenschaltung der Auskopplungsmodule 36, die somit die Auskopplungsschaltung 7 darstellen, kann die gewünschte dritte Gleichspannung MVDC2 abgegriffen werden.
Die Figur 5 zeigt stark schematisiert die Integration der DC-DC-Wandlermodule 37 in den vollständigen Spannungswandler gemäß Figur 2. H ierbei ist nur anhand der Phase C ein DC-DC-Wandler-Modul m1 vollständig dargestellt, die übrigen Module m2 bis mn sind vergleichbar aufgebaut.
Wie man erkennt, kann bei der dargestellten Schaltungsanordnung aus jeder Phase A, B, C eine jeweils von anderen dritten Gleichspannungen MVDC2 entkoppelte dritte Gleichspannung MVDC2 gewonnen werden. Flierüber können beispielsweise drei separate Verbraucher 10 mit der dritten Gleichspannung MVDC2 versorgt wer den. Es ist auch möglich, zwei oder alle drei der die dritte Gleichspannung MVDC2 führenden Zweige parallel oder in Reihe zu schalten. Bei einer Parallelschaltung kann der verfügbare Strom erhöht werden, bei einer Reihenschaltung kann die ver fügbare Gleichspannung erhöht werden.
Die Figur 6 zeigt eine solche Parallelschaltung aller drei die dritte Gleichspannung MVDC2 führenden Zweige.
Wie man erkennt, erlaubt die Erfindung somit auch eine Skalierbarkeit der über die Auskopplungsschaltung bereitgestellten dritten Gleichspannung MVDC2 sowohl hin sichtlich des Spannungsniveaus als auch hinsichtlich des verfügbaren Stroms. Die verschiedenen über die einzelnen Phasen A, B, C bereitgestellten dritten Gleich spannungen MVDC2 sind galvanisch voneinander entkoppelt, was eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Verschaltungsmöglichkeiten eröffnet. Durch entspre chende Steuerung der DC-DC-Wandler-Module 37 und der Auskopplungsmodule 37, beispielsweise durch eine softwaregesteuerte Regelung, können eine Vielzahl von Regelungs- und Fehlerreaktionsszenarien realisiert werden. Insbesondere die Reali sierung des Spannungswandlers in einer CHB-Topologie lässt sich vorteilhaft umset- zen, da die CHB-Topologie in der Energieversorgungstechnik bereits etabliert ist und gut angenommen wird.
Die Figur 7 zeigt eine Ausführungsform des Spannungswandlers, bei der die zuvor beispielsweise anhand der Figur 4 als einzelne Komponenten beschriebenen AC- DC-Wandlermodule 20 und die jeweiligen Wandlerzelle 30 eines DC-DC-Wandler- Moduls 37 kombiniert sein kann, z.B. als ein integriertes Wandlermodul 40. Im Übri gen kann die Auskopplungsschaltung identisch bleiben. Bei der Ausführungsform ge mäß Figur 7 ist somit eine direkte eingangsseitige Verarbeitung einer Wechselspan nung aus dem primärseitigen Wechselspannungsnetz 13 möglich.
Die Figur 8 zeigt eine Ausführungsform des Spannungswandlers, und zwar anhand einer Phase, wie in Figur 4 dargestellt, wobei das primärseitige Wechselspannungs netz 13 über einen Modular Multilevel Converter 39 mit der Gleichspannungs-Ein gangsseite der DC-DC-Wandler-Module 37 verbunden ist. Der Modular Multilevel Converter 37 ersetzt daher in diesem Fall die einzelnen AC-DC-Wandler 20.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen hat der Auskopplungskreis auf grund der bidirektionalen Funktionsweise der verwendeten Auskopplungsmodule 36 eine grundsätzlich bidirektionale Funktionalität. In Einsatzfällen, in denen die Bidirek- tionalität nicht benötigt wird, kann dieser Auskopplungskreis auch unidirektional aus gebildet sein. Hierzu können statt der Auskopplungsmodule 36 unidirektionale Mo- dule 38 eingesetzt werden, die beispielsweise schaltungstechnisch als Dioden-Voll- brücke ausgebildet sein können, wie in der Figur 9 dargestellt ist. Der Leistungsfluss kann dabei weiterhin unabhängig gesteuert werden.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen war das Auskopplungsmodul 36 jeweils derart eingesetzt, dass die dritte Gleichspannung auf vergleichsweise hohem Gleichspannungsniveau bereitgestellt wird. Wie in der Figur 10 dargestellt ist, kann das Auskopplungsmodul 36 alternativ derart angeschlossen und konfiguriert sein, dass als dritte Gleichspannung eine Spannung LVDC2 auf geringem Spannungsni- veau bereitgestellt wird, was beispielsweise vorteilhaft ist, wenn auf dem Spannungs niveau LVDC2 separate Lasten versorgt werden sollen. Auf diese Weise kann eine zusätzliche elektrische Energieversorgung zum Laden elektrischer Fahrzeuge bereit gestellt werden. Diese Topologie ist insbesondere vorteilhaft mit einer eingangsseiti- gen Cascaded H-Bridge (CHB) Topologie. Der zusätzliche LVDC-Zwischenkreis (LVDC2) ermöglicht einen Ausgleich der Asymmetrien in der CHB für den Fall von unterschiedlichen Lasten. Die Ausgänge der Auskopplungsschaltungen 7 können pa rallel verschaltet werden. Es ist auch möglich, das DC-DC-Wandler-Modul 37 mit beidseitigen Auskopplungs modulen 36 zu realisieren, derart, dass einerseits eine dritte Gleichspannung MVDC2 auf hohem Spannungsniveau und andererseits eine dritte Gleichspannung LVDC2 auf geringem Spannungsniveau bereitgestellt wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Spannungswandler (1 ) zur Wandlung einer primärseitigen Wechselspannung (MVAC) auf einem ersten Spannungsniveau in eine sekundärseitige Wechsel spannung (LVAC) auf einem zweiten Spannungsniveau, wobei der Spannungs wandler (1) einen Gleichspannungszwischenkreis (3, 5, 6) aufweist, in dem eine aus der primärseitigen Wechselspannung (MVAC) erzeugte erste Gleichspan nung (MVDC) mittels eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers (3) in eine zweite Gleichspannung (LVDC) gewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskopplungsschaltung (7) zur Bereitstellung einer dritten Gleich spannung (MVDC2, LVDC2) zum Anschluss wenigstens eines Verbrauchers (10) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (3, 5, 6) gekoppelt ist, insbeson dere mit dessen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (3).
2. Spannungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wechselstrom-Mittelspannungs netzes (13) und das zweite Spannungsniveau das Spannungsniveau eines Wechselstrom-Niederspannungsnetzes (14) ist.
3. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Auskopplungsschaltung (7) elektrisch und/oder magne tisch in den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (3) integriert ist.
4. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (3) modu lar aus einer Vielzahl von einzelnen DC-DC-Wandler-Modulen (37) aufgebaut ist, die sekundärseitig parallel zueinander geschaltet sind.
5. Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die DC- DC-Wandler-Module (37) primärseitig entweder unmittelbar in Reihe oder über AC-DC-Wandler-Module (20) in Reihe geschaltet sind.
6. Spannungswandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ei nigen oder allen der DC-DC-Wandler-Module (37) primärseitig ein Auskopp lungsmodul (36) hinzugefügt ist, wobei die Auskopplungsmodule (36) miteinan der zu der Auskopplungsschaltung (7) verschaltet sind.
7. Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus kopplungsmodule (36) in Reihe miteinander geschaltet sind, um die dritte Gleichspannung (MVDC2, LVDC2) bereitzustellen.
8. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeich net, dass ein DC-DC-Wandler-Modul (37) eine primärseitige Wandlerzelle (30) und eine sekundärseitige Wandlerzelle (32) aufweist, die miteinander über gal vanisch getrennte Wicklungen (33) eines Transformators (31) gekoppelt sind.
9. Spannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus kopplungsmodul (36) mit einerweiteren Wicklung (35) des Transformators (31) gekoppelt ist, sodass das Auskopplungsmodul (36) induktiv über den Transfor mator (31) mit elektrischer Energie versorgt ist.
10. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeich net, dass der Transformator (31) einen magnetischen Kern (34) aufweist, auf dem die Wicklungen (33, 35) des Transformators angeordnet sind.
11. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Ladestation zum Aufladen von Elektrofahrzeugen, ins besondere von Elektro-Personenkraftwagen, mit der dritten Gleichspannung (MVDC2, LVDC2) gekoppelt ist.
12. Spannungswandler nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die La destation über einen DC-DC-Wandler (9) mit der dritten Gleichspannung (MVDC2, LVDC2) gekoppelt ist.
13. Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie zum Aufladen von Elektrofahr zeugen mit Gleichstrom, wobei aus einem Spannungswandler zur Wandlung ei ner primärseitigen Wechselspannung auf einem ersten Spannungsniveau in eine sekundärseitige Wechselspannung auf einem zweiten Spannungsniveau, der einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, in dem eine aus der primär- seitigen Wechselspannung erzeugte erste Gleichspannung mittels eines Gleich- spannungs-Gleichspannungs-Wandlers in eine zweite Gleichspannung gewan delt wird, aus dem Gleichspannungszwischenkreis eine dritte Gleichspannung ausgekoppelt und zum Aufladen des Elektrofahrzeugs in das Elektrofahrzeug eingespeist wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Gleich- spannungs-Gleichspannungs-Wandler des Gleichspannungszwischenkreises die dritte Gleichspannung ausgekoppelt und zum Aufladen des Elektrofahr zeugs in das Elektrofahrzeug eingespeist wird.
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