EP4555599A1 - Vorrichtung und verfahren zur spannungsangleichung mehrerer zweipole, sowie dc-energieverteilungsanlage - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur spannungsangleichung mehrerer zweipole, sowie dc-energieverteilungsanlage

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Publication number
EP4555599A1
EP4555599A1 EP23741386.9A EP23741386A EP4555599A1 EP 4555599 A1 EP4555599 A1 EP 4555599A1 EP 23741386 A EP23741386 A EP 23741386A EP 4555599 A1 EP4555599 A1 EP 4555599A1
Authority
EP
European Patent Office
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pole
connections
current
switch
limiting component
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
EP23741386.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Burkard Müller
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.)
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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 SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
Publication of EP4555599A1 publication Critical patent/EP4555599A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/08—Three-wire DC power distribution systems; Systems having more than three wires
    • H02J1/082—DC supplies with two or more different DC voltage levels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H01M2200/105—NTC
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
    • H01M50/512—Connection only in parallel

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for equalizing the voltage of several two-pole poles.
  • the two-pole can in particular be two-pole that are designed to be interconnected in a direct current circuit (DC circuit).
  • the two-pole can contain one or more two-pole, which operate to release power when the voltage is equalized.
  • the invention further relates to a DC power distribution system with such a device.
  • the charged capacity of the devices can act as a voltage source, at least for a short time, and generate a high inrush current on the DC link of the inverter.
  • a similar problem would also arise in the opposite direction, namely if a DC side of an inverter, which includes a charged DC intermediate circuit, is connected to a connection of an electrical device that has an uncharged effective capacitance at its connection.
  • Devices with a correspondingly high capacity include electrolysers or DC buses from direct current networks (DC networks). Question, where in some cases it is not even known which capacities are connected.
  • the document EP 2760096 A1 discloses an electrical storage system that operates with only a small number of current limiting resistors.
  • the storage system includes a charger that draws energy from an external device Power source to an electrical storage device and energy from the electrical storage device to an external device.
  • a first main relay and a second main relay enable a positive electrode terminal and a negative electrode terminal of the electrical storage device to be connected to a load.
  • a third main relay is connected in series with a current limiting resistor and connected in parallel with the first main relay together with the current limiting resistor.
  • a first charging relay and a second charging relay enable connection from the positive and negative electrode terminals of the electrical storage device to the charger.
  • a third charging relay is connected in series with the current limiting resistor and connected together with the current limiting resistor in parallel with the first charging relay. It is necessary that power flows through the current limiting resistor in two opposite directions, i.e. bidirectionally. Replacing the current-limiting resistor with a current-limiting component that only operates unidirectionally is not possible here.
  • the document DE 10 2011 083741 A1 discloses a circuit arrangement for the variable interconnection of energy sources and energy consumers, comprising a bidirectional AC/DC converter, a DC/DC converter, at least four electrical switches and a control device for controlling the switches and the converters.
  • the document DE 10 2011 088457 A1 discloses a circuit arrangement for converting an input voltage into an output voltage, with a pair of input voltage poles for connecting a voltage source, an output voltage pole pair for tapping an output voltage and a half bridge with two controllable switching elements and a throttle, which has a connection between the controllable switching elements arranged half-bridge tap is connected.
  • the half bridge can be connected to at least either the first input voltage pole or the first output voltage pole by means of a switch arrangement, the choke being or being connectable to the input or the output.
  • the publication US 2014/0009106 A1 discloses a battery and load balancing circuit to prevent an inrush current surge initial parallel connection of batteries and/or loads.
  • Various techniques are used, such as charging and discharging using DC converters to balance charges between batteries and between batteries and capacitive loads.
  • the invention is based on the object of specifying a device and a method for voltage equalization of several two-pole poles, in particular for precharging and/or discharging one or more of the two-pole poles.
  • Implementation of the method and also the device should be associated with the lowest possible cost.
  • the device and the method should be suitable for bringing about voltage equalization of several two-pole poles with the smallest possible number of current-limiting components.
  • the aim is also to enable the simplest and most cost-effective design of the current-limiting components, especially in a case where it is an actively controlled current-limiting component. It is also an object of the invention to demonstrate a DC power distribution system suitable for carrying out the method.
  • the task of providing a device for voltage adjustment of the type mentioned is achieved according to the invention with the features of independent patent claim 1.
  • the task of demonstrating a method for voltage adjustment of the type mentioned is solved according to the invention with the features of independent claim 13.
  • the task of showing a DC power distribution system suitable for carrying out the method is solved according to the invention with the features of independent claim 19.
  • Advantageous embodiments of the device are mentioned in claims 2 to 12, advantageous embodiments of the method in claims 14 to 18 and advantageous embodiments of the DC power distribution system in claims 20 to 21. Description of the invention
  • the device according to the invention is designed to carry out voltage adjustment of a plurality n of at least two (n>2) two-pole poles (P1, P2, P3). At least one, and possibly also several, of the two-pole terminals can have a capacitance that is effective on the connection side or a capacitive behavior that is effective on the connection side.
  • the device comprises: a current-limiting component with an input and an output, and n pairs of connections, each with a first connection and a second connection for connecting the n two-pole.
  • Two or more of the first connections are each connected via a first switch or directly to the input of the current-limiting component.
  • these two or more of the n connection pairs are designed to be connected to a two-pole that at least temporarily outputs power.
  • two or more of the first connections are each connected to the output of the current-limiting component via a second switch, whereby these two or more of the n connection pairs are designed to be each connected to a two-pole that operates at least temporarily to absorb power.
  • the second connections of the n connection pairs are directly or switchably connected to one another and to a common reference potential GND.
  • the device is designed to adjust the switching states of the first switches and the second switches by means of a control unit and/or by means of voltages applied to the first connections relative to the reference potential - and thus also relative to the second connections - in such a way that a power consumption of the current-limiting component of one or more of the first connections via one or more of the first switches or the direct connection to the input of the current-limiting component, but not via one or more of the second switches, and a power output of the current-limiting component to one or more of the first connections via one or more of the second switches, but not via one or more of the first switches.
  • the switching states of the first and second switches only enable a unidirectional power flow via the current-limiting component, namely from the input of the current-limiting component to its output, whereas one from the output to the Input directed power flow, and thus a bidirectional power flow via the current-limiting component, is suppressed. Switching states that do not match this suppression can be avoided by suitable control of the first switch and the second switch or can be excluded from the outset by using a unidirectional switch as the first switch and/or as the second switch.
  • a power flow can thus be enabled from one or more of the first connections, each of which is assigned to a power-emitting two-pole, along a path via the current-limiting component, to one or more of the first connections, each of which is assigned to a power-absorbing two-pole become.
  • a power flow between two or more of the first connections can be at least temporarily suppressed by means of the switching states of the first and second switches, bypassing the current-limiting component.
  • the switches it is possible and advantageous to design the switches as unidirectional switches.
  • power consumption or output at individual contacts is always to be understood as compared to the reference potential GND.
  • a power output from a contact results from the current from the contact multiplied by the voltage between the contact and the reference potential GND.
  • a power flow through a component means that it absorbs power at one contact and delivers power at another contact.
  • the term contact in the sense of this description can be understood here as, in particular, the first connection or the second connection of a two-pole terminal. Additionally, the term “contact” can also refer to the input or output of the current-limiting component. Finally, the contact can also be a contact of one of the switches from the first and second switches.
  • a method according to the invention enables voltage equalization of a plurality n of at least two (n>2) two-pole poles, at least one of which contains a capacitance that is effective on the connection side or an effective capacitance on the connection side has capacitive behavior.
  • the method can be carried out using the device according to the invention and comprises the steps:
  • n two-poles Connecting the n two-poles to one of the connection pairs of the device, if they are not yet connected, so that two or more of the n two-poles are each single-pole directly, or switchable via a first switch to the input of the current-limiting component and two or more of the n Two-pole poles are each connected to the output of the current-limiting component in a single-pole switchable manner via a second switch,
  • a power consumption of the current-limiting component is shifted to its input and not to its output, while a power output of the current-limiting component always takes place at its output and not at its input.
  • a power flow can occur between two or more of the n two-pole terminals Bypassing the flow-limiting component can be suppressed, or at least temporarily suppressed.
  • a voltage adjustment between several two-pole poles can only be carried out using the method according to the invention.
  • the method can also be combined with other known methods of voltage adjustment.
  • two of the first connections can also be connected or switchably connected via a further path that does not lead via the current-limiting component.
  • the first connections of two two-pole terminals can be connected or switchably connected via a further impedance, for example a further precharging resistor. This is particularly advantageous if a large power flow is required to equalize the voltage of the two poles in question, which exceeds the current-carrying capacity of the current-limiting component.
  • a two-pole in the sense of the invention can only contain two poles. Alternatively, however, it is also possible for the two-pole to have more than two, for example four or more poles. In this case, individual poles can be viewed in pairs as a two-pole.
  • a DC side of an AC/DC converter can be a two-pole in the sense of the invention. The same applies to an input side as well as an output side of a DC/DC converter.
  • a power-emitting two-pole can, but does not necessarily have to, operate power-emitting at all times. Rather, it is possible for a two-pole or individual two-poles to operate both as power output and as power absorber during voltage adjustment, provided this occurs at different times.
  • such a two-pole can operate to output power at one time and to absorb power at another time.
  • Such behavior can occur in particular in the case of a multi-stage voltage adjustment.
  • this can also operate as a power output at one time and a power consumption at another time.
  • a voltage adjustment within the scope of the invention can in particular be a pre-charging of a previously uncharged or only partially charged two-pole or include several previously uncharged or only partially charged two-pole terminals connected to the device.
  • the two-pole terminals that are pre-charged during voltage equalization can each operate in a power-consuming manner.
  • the voltage equalization may also include a complete or partial discharge of a previously charged two-terminal or several previously charged two-terminals connected to the device.
  • the two-pole terminals that are to be discharged when the voltage is equalized can each operate to release power.
  • the voltage of one or more of the two-pole poles involved in the power flow can change over time. This is particularly the case for those two-pole poles that contain an effective capacitance on the connection side, i.e. between their two poles, or have capacitive behavior at their poles. Specifically, a voltage between the poles of a power-emitting two-pole can decrease over time. In a corresponding manner, a voltage present between the poles of a power-absorbing two-pole can increase over time. In addition to two-pole poles that change their voltages over time, there can also be two-pole poles that have a time-invariant voltage.
  • the optional suppression of the power flow, bypassing the current-limiting component between two or more first connections, each of which is assigned to a power-emitting two-pole does not necessarily have to be permanent. Rather, it may be sufficient if this takes place over the course of the voltage equalization at least until there is sufficient equalization between the voltages of the corresponding first connections, so that they only differ slightly from one another differentiate. The same applies to the optional suppression of the power flow, bypassing the current-limiting component between those first connections, which are each assigned to a power-absorbing two-pole.
  • the switching states of the first switch are used to set which of the two-poles, which are in principle intended for power output, operates to output power at a certain time.
  • the switching states of the second switches are used to set which of the two-pole poles, which are basically intended for power consumption, operates in a power-consuming manner at a certain time. Therefore, the switching states of the first and second switches can also be used to set which of the power-emitting two-poles is connected to which of the power-absorbing two-poles at a specific time.
  • the power flow from one or more power-emitting two-poles to one or more power-absorbing two-poles always takes place via the same current-limiting component. This therefore only has to be kept separately once, and not for each two-pole, nor for every pair of two-pole between which voltage adjustment is to take place, which means enormous cost savings, especially as the number of two-pole increases.
  • the switching states of the first and second switches specify a purely unidirectional power flow via the current-limiting component from its input to its output. Specifically, the first switches only deliver power from two-poles that are currently operating to deliver power to the input of the current-limiting component.
  • the second switches only power is absorbed from the output of the current-limiting component by two-pole terminals that are currently operating in a power-absorbing manner. It is therefore sufficient to design the current-limiting component itself for a unidirectional power flow. It can therefore also be implemented more cost-effectively relative to a flow-limiting component designed for a bidirectional power flow. This is particularly the case when it is an actively controllable current-limiting component, for example a DC/DC converter. If for voltage adjustment a step-down converter trained DC/DC converter is desired, it is sufficient that it can only operate in one direction, for example from the input to the output.
  • the device only has two pairs of connections, with the first connections of both pairs of connections each being connected to the input via a first switch and to the output of the current-limiting component via a second switch.
  • both two-pole poles are designed to operate in principle, i.e. at different times, both in terms of power output and power consumption.
  • the device can be designed for voltage adjustment of three or more (n>3) two-pole and can have three or more connection pairs for this purpose. At least temporarily, at least three, possibly more, and optionally all of the first connections - and the two-poles connected to them - can be involved in the power flow via the current-limiting component at the same time.
  • the cost advantage of the method as well as the device increases with the number of two-pole that are involved in the voltage equalization, since each new two-pole that is added can use the existing current-limiting component.
  • one two-pole/several two-pole poles can operate to output power at one time and to absorb power at another time . Therefore, it is also possible in this case for a first connection or several of the first connections to be connected to the input both via a first switch and to the output of the current-limiting component in a switchable manner via a second switch.
  • One or more bridge branches assigned to the first connections are formed, which each have a series connection of the first switch assigned to the first connection and the second switch assigned to the first connection.
  • the first connections are connected to the bridge branches assigned to them with branch taps, which are each arranged within the bridge branches between the first and the second switch.
  • each of the corresponding first connections can be conductively connected to the input via a closed first switch when the respective connected two-pole is in power-emitting operation and can be connected to the output of the current-limiting component via a closed second switch when the respective connected two-pole is in power-absorbing operation. This ensures that the power flow is always directed unidirectionally from the input to the output of the current-limiting component, regardless of whether a particular two-pole is currently operating as a power-absorbing or power-emitting component.
  • At least one of the first switches and/or at least one of the second switches can each have a diode D or can each be designed as a diode D.
  • a forward conducting and reverse blocking behavior can be imposed on the at least one first switch and/or the at least one second switch via the diode comprised by the switch.
  • a forward conducting behavior can be understood in the case of a first switch as a conducting behavior that enables a power flow out of the two-pole assigned to the first switch, while in a second switch it refers to a conducting behavior that allows a power flow into the two-pole assigned to the second switch Two-pole allows in.
  • a reverse blocking behavior in this context for a first switch can be understood as a blocking behavior that results in a power flow in the first The two-pole associated with the switch is blocked, while in the case of a second switch it refers to a blocking behavior that blocks a power flow out of the two-pole associated with the second switch.
  • undesirable switching states i.e. switching states that conflict with the desired unidirectional power flow through the current-limiting component
  • the switching states of the corresponding first and/or second switches which each have a diode or are each designed as a diode, can be adjusted by the voltages present at the first connections relative to the GND potential, i.e. the respective voltages of the two-pole, and it It is not necessary to control the switching states via a control unit.
  • first switches each designed as a diode
  • the diode With a large number of first switches, each designed as a diode, the diode always assumes a conductive switching state in which the two-pole assigned to the diode has a maximum voltage or a minimum voltage compared to the other two-pole.
  • the second switches which are each designed as a diode. Therefore, a control unit can optionally be completely omitted, for example if each of the first switches and second switches is designed as a diode, or a control unit required for other reasons can be designed more simply, since it has to process fewer functions, which has an advantageous effect on the costs incurred corresponding device affects.
  • a diode is usually more cost-effective than an actively controllable semiconductor switch, which also generates a cost advantage for the corresponding device.
  • several, possibly also each, of the first switches can each have a diode or can be designed as a diode.
  • several of the second switches can also be used, and each of the second switches can also have a diode or can be designed as a diode.
  • each of the first switches and each of the second switches of the device can be designed as a diode.
  • the diodes can be designed as ready-made diode bridges, which results in further space and cost savings.
  • the suppression of temporarily unwanted power flows within the device is possible via third switches.
  • at least one, possibly also several, of the first switches and/or at least one, possibly also several, of the second switches to each comprise a switch that can be controlled by the control unit.
  • This can in particular be a semiconductor switch or an electromechanical switch.
  • the device comprises a control unit for controlling the corresponding first and/or second switch.
  • a switch that can be controlled via the control unit can be controlled independently of a voltage that is present at the first connection assigned to it relative to the reference potential GND, which enables a greater degree of freedom when carrying out the method.
  • a unidirectional power flow through the current-limiting component can be set via the control unit by means of suitable switching states of the first and second switches.
  • a unidirectional switch in the sense of the application is a switch with at least one control state, which is designed to enable a power flow in one direction and to suppress it in the opposite direction.
  • Such a unidirectional switch therefore has a reverse-blocking and forward-conducting behavior in the relevant control state - similar to a diode.
  • a distinction must be made between the control state and the switching state of the unidirectional switch.
  • a control state can include several switching states.
  • the above-mentioned relevant control state which is characterized by a forward conducting and reverse blocking behavior, includes two switching states, namely the switching state "closed” or “conducting” for a forward power flow and the switching state "open” or “blocking” for a backward power flow.
  • the unidirectional switch can include or be constructed from several different switches.
  • a unidirectional switch can, but does not necessarily have to, be actively controllable and has a control connection for assuming the control state exhibit.
  • a unidirectional switch that cannot be actively controlled has only a single control state.
  • An actively controllable unidirectional switch can have additional control states that can be used advantageously during operation of the device. Examples of a unidirectional switch include:
  • a reverse blocking semiconductor switch e.g. a reverse blocking IGBT
  • At least one of the first switches can now be designed as a unidirectional switch, which in the relevant control state behaves like a diode whose flow direction is oriented such that a power flow from the first connection assigned to the first switch to the input of the current-limiting component is made possible, but a power flow from the input of the current-limiting component to the relevant first connection is suppressed.
  • a power flow via the first switch into the assigned first connection and thus also a direct power flow from another two-pole into the two-pole connected to the relevant first connection, is prevented, bypassing the current-limiting component.
  • At least one of the second switches can be designed as a unidirectional switch, which behaves like a diode, at least in the relevant control state, the flow direction of which is oriented such that a power flow from the output of the current-limiting component to that assigned to the second switch first connection is made possible, but a power flow from the corresponding first connection to the output of the current-limiting component is suppressed.
  • the relevant control state also prevents a power flow via the second switch from the first connection assigned to it, and thus also a direct power flow from the two-pole connected to the first connection into another two-pole, bypassing the current-limiting component.
  • first and second switches of the device are advantageously designed as unidirectional switches, it can be ensured, at least when all of these switches assume the relevant control state, that a power flow does not occur in an undesirable direction via the current-limiting component nor directly between two two-pole.
  • the current-limiting component can comprise, as a component, an ohmic resistor RVL, a thermistor, for example a thermistor (NTC) or a thermistor (PTC), and/or a semiconductor switch TVL that can be actively controlled by the control unit. It is also possible for the current-limiting component to include a series connection of two different components.
  • the current-limiting component can be designed as a DC/DC converter, in particular as a DC/DC converter that steps down from the input to the output. Relative to an ohmic resistance as a current-limiting component, this makes it possible to control the power flow through the current-limiting component in a more fine-tuned manner, resulting in a greater degree of freedom when carrying out the voltage adjustment method.
  • the device can additionally have a switching unit for the switchable, low-resistance connection of two or more of the first connections to one another, and a control unit for controlling the switching unit.
  • the control unit of the switching unit may be the same as that used to control the first and second switches.
  • the control unit can be designed to connect two or more of the first connections to one another in a low-resistance manner depending on a voltage prevailing between the relevant first connections. Specifically, for example, two first connections, more than two first connections, or all first connections of the n two-pole can be connected to one another in a low-resistance manner by means of the switching unit if an absolute value of a voltage present between the relevant first connections reaches or falls below a voltage threshold value UTH.
  • the device for this purpose, it is possible to detect the voltage from each of the first connections separately.
  • the device it is also possible for the device to comprise one, in particular only one, voltage sensor for detecting a voltage U present at the current-limiting component, i.e. a voltage U which is present between the input and the output of the current-limiting component.
  • the control unit is designed to operate the switching unit depending on the voltage U applied to the current-limiting component. In this way, the number of required voltage sensors and thus the cost of the device can be further reduced.
  • the switching unit for the switchable, low-resistance connection of two or more of the first connections of the n two-poles to one another can also be formed via two or more of the first switches that can be controlled by the control unit or via two or more of the second switches that can be controlled by the control unit. This can be advantageous for cost reasons if actively controllable first and/or second switches are already present and are also sufficiently dimensioned in terms of their current-carrying capacity. Alternatively, it is also possible to provide additional separate switches for the switching unit.
  • the switching unit can be designed in such a way that it comprises a plurality of switches, so that each first connection can be connected to each other of the remaining first connections separately in a low-resistance manner.
  • the device can have one or more third switches that can be controlled by the control unit, each of the third switches being between the first connection and the first switch assigned to it and/or between the first connection and the first switch assigned to it second switch is arranged.
  • the process of voltage adjustment can be largely automated in that all first and second switches are designed as diodes and only those two-pole poles are temporarily disconnected that would disrupt the desired timing of the process. In this way, only a minimal number of controllable switches are required. It is then sufficient to design only the third switches as actively controllable switches.
  • two or more power-emitting two-pole poles with initially different voltages can be connected to the device.
  • Power output can initially be made possible for that two-pole whose absolute voltage, i.e. the magnitude of the voltage between its first connection and the reference potential GND, is maximum.
  • the power outputs for the further two-pole can then be made possible with a time delay, for example depending on a voltage between the first connection assigned to them and the input of the current-limiting component.
  • Such behavior can occur, for example, if the power-emitting two-pole terminals each have an effective capacitance on the connection side, which is at least partially discharged over time depending on the power output of the two-pole terminal.
  • two or more power-absorbing two-pole poles with different voltages can be connected to the device alternatively or cumulatively, with power consumption initially being made possible for that two-pole pole whose absolute voltage, i.e. the magnitude of the voltage between its first connection and the reference potential GND, is minimal.
  • the power consumption for the further two-pole can then be made possible with a time delay, for example depending on a voltage between the first connection assigned to them and the output of the current-limiting component. This behavior can occur, for example, if the power-absorbing two-pole terminals each have an effective capacitance on the connection side, which is at least partially charged depending on the power consumption of the two-pole terminals.
  • the positive poles of the two-pole are each connected or are connected to one of the first connections and the negative poles of the two-pole are each connected to one of the second connections of the device.
  • the common reference potential GND is formed by the negative poles of the two-pole.
  • the negative poles of the two-pole are each connected or are connected to one of the first connections and the positive poles of the two-pole are each connected or are connected to one of the second connections of the device.
  • the common reference potential GND is formed by the positive poles of the two-pole. This is particularly advantageous if the current-limiting component is designed as a special DC/DC converter such as a step-down converter.
  • an actively controllable switch as a so-called low-side switch of the DC/DC converter can have a stationary emitter potential or source potential, which - as explained again in more detail in FIG. 3c - enables easier control of the actively controllable switch becomes.
  • a DC power distribution system according to the invention with two-poles that can be connected in a voltage-adjusting manner includes a device according to the invention for voltage equalization of at least two two-poles, as well as the plurality n (n>2) of the at least two two-poles that are connected to the device.
  • the DC power distribution system is designed and set up to carry out the process. This results in the advantages already explained in connection with the device and the method.
  • At least one of the n two-pole poles comprises one or more of the following elements:
  • a further embodiment of the DC power distribution system can include a power-emitting and non-regenerative two-pole, which has a one of its poles is connected or switchably connected to the input of the current-limiting component and the other of its connections is connected to the reference potential GND. For this purpose, it is connected to one of those connection pairs whose first connection is connected directly to the input of the current-limiting component.
  • a power-emitting but in principle regenerative two-pole is connected to a pair of connections, the first connection of which is connected via a first switch to the input of the current-limiting component. In this way, electrical power can be prevented from being fed back into the two-pole if necessary.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention for voltage equalization, which is connected to a plurality of n two-pole poles;
  • FIG. 2a shows a second embodiment of a device according to the invention for voltage adjustment
  • FIG. 2b shows a third embodiment of a device according to the invention for voltage adjustment
  • 3a shows a first embodiment of a flow-limiting component of the device
  • 3b shows a second embodiment of a current-limiting component of the device.
  • 3c shows a third embodiment of a flow-limiting component of the device
  • 4a shows a first embodiment of a unidirectional switch
  • 4c shows a third embodiment of a unidirectional switch
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device 1 according to the invention for voltage equalization of a plurality n of at least two (n>2) two-pole poles.
  • a DC power distribution system 50 is also illustrated in FIG. 1, which corresponds to a combination of the device 1 and the two-pole P1, P2, P3 connected to the device 1.
  • the device 1 in FIG. 1 is designed for operation of three two-pole P1, P2, P3, each of which is connected to a first connection A1 and a second connection A2 of a different one of the three connection pairs A. Two of the first connections A1, for example the connections of the two-pole P1 and P2 in FIG.
  • first connections A1 of two connection pairs A are each connected to an output 10.2 of the current-limiting component 10 via a second switch S2 and a common second connection point 6.2.
  • the second connections A2 of the connection pairs A are connected to one another with low resistance and to a common reference potential GND.
  • the connection of the second connections A2 to the reference potential GND is shown in FIG. 1 as a direct connection.
  • the connection for one or more of the second connections A2, optionally also for all second connections A2, to be designed to be switchable.
  • one of the two-pole P1, P2, P3 (here: P2) is designed to emit power at one time and to absorb power at another time.
  • the first connection A1 assigned to it is connected to the input 10.1 both via one of the first switches S1 and to the output 10.2 of the current-limiting component 10 via one of the second switches S2.
  • the first switch S1 and the second switch S2 are connected in series in a bridge branch 5.2, with a branch tap 3.2 of the bridge branch 5.2 being connected to the first connection A1 assigned to the two-pole P2.
  • the device 1 has a voltage sensor 8, which is connected to a control unit 9 of the device 1.
  • the voltage sensor 8 is designed to detect a voltage U present at the current-limiting component 10.
  • the control unit 9 can - as also explicitly shown in FIG. 1 - be used for control the flow-limiting component 10 can be connected to this in terms of control technology. This can be the case in particular if the current-limiting component 10 contains actively controllable components, for example an actively controllable semiconductor switch. Alternatively, the control of a semiconductor switch of the current-limiting component can also take place autonomously and without a connection to a voltage sensor 8. This is the case, for example, with a current control, in particular a control of the output current of the current-limiting component 10. In general, control connections in Fig.
  • the device 1 further includes a switching unit 7, which comprises a plurality of switches S12, S13, S23 for the low-resistance connection of individual first connections A1 to one another.
  • the control unit 9 is designed to control the switching unit 7, in particular its switches S12, S13, S23, depending on the voltages prevailing between the first connections A1 and/or the voltage U dropping across the current-limiting component 10.
  • the first connections A1 of individual two-pole poles (P1 and P3 as an example in FIG. 1) are additionally each connected via an actively controllable third switch S3 to the first switches S1 and second switches S2 assigned to them.
  • the corresponding two-pole P1, P3 can be decoupled via the third switch S3 with respect to its output or receipt of a power flow during the voltage adjustment, which is equivalent to a temporary activation or deactivation of the corresponding two-pole P1, P3 during the voltage adjustment.
  • the third switch connected to the first connection of the first two-pole is connected to the first connection point 6.1 via a diode, so that the combination of third switch and diode has the same effect as a first switch designed as a unidirectional switch.
  • the first connections A1 of two two-pole can optionally also be connected, in particular switchably connected, via an additional impedance in the form of a further precharging resistor RVL,2.
  • a further precharging resistor RVL,2 is an optional component, it is shown in dashed lines in Fig.1. A possible embodiment of a method for operation using the example of device 1 is explained below.
  • the two-pole P1 is a DC connection of a low-power power supply, i.e. in the simplest case a rectifier
  • the two-pole P2 is a DC side of a bidirectional high-power AC/DC converter
  • the two-pole P3 is a DC input of an electrolyzer.
  • all third switches S3 and all switches S12, S13, S23 of the switching unit 7 are open.
  • a DC side of the bidirectional AC/DC converter ie the two-pole P2 is voltage-free because the AC/DC converter's AC side is not yet connected to an AC network (not shown in FIG. 1).
  • the two-pole P3, which represents the electrolyzer, is also voltage-free.
  • the third switch S3 assigned to the first two-pole P1 is first closed. Due to the voltages U(P1), U(P2) of the first two-pole P1 and the second two-pole P2, the first switch S1 assigned to the first two-pole P1 and the second switch S2 assigned to the second two-pole P2 are placed in a conductive switching state. This results in a power flow P via the current-limiting component 10 from the first connection A1 of the first two-pole P1 to the first connection A1 of the second two-pole P2, whereby it is charged and whereby its voltage U(P2) is the voltage U(P1) of the first two-pole P1.
  • the high-performance bidirectional AC/DC converter is then synchronized and connected to the AC network.
  • a power flow via the optional pre-charging resistor RVL,2 can support voltage equalization.
  • Both the first switches S1 and the second switches S2 are designed in FIG Set the voltages present at P1, P2, P3.
  • one or more of the first switches S1 can be designed as actively controllable switches.
  • Fig. 2a a second embodiment of a device 1 according to the invention is shown, which is similar in many points to the first embodiment already explained in Fig. 1. Therefore, only the differences from the embodiment in Figure 1 are described below. For the matching features, reference is made to the description of the figures in FIG. 1.
  • all two-pole P1, P2, P3 are designed for both power-absorbing and power-emitting operation. This can occur, for example, when each of the two-pole P1, P2, P3 is not only charged (i.e. its voltage U(P1), U(P2), U(P3) is increased by means of the device 1 via the current-limiting component 10), but also should also be discharged (ie its voltage U(P1), U(P2), U(P3) reduced).
  • each of the two-pole P1, P2, P3 is connected via a branch tap 3.1, 3.2, 3.3 of a bridge branch 5.1, 5.2, 5.3 assigned to it, and thus both via a first switch S1 with the input 10.1 and via a second switch S2 connected to the output 10.2 of the current-limiting component 10.
  • the Bridge branches 5.1, 5.2, 5.3 are each arranged parallel to the flow-limiting component 10 and together form a bridge 5 with a first connection point 6.1, via which the first switches S1 are connected to the input 10.1, and a second connection point 6.2, via which the second switch S2 is connected to the output 10.2 of the current-limiting component 10.
  • FIG. 2b A third embodiment of the device 1 according to the invention is shown in FIG. 2b. This is also similar in many respects to the first embodiment already explained in FIG. 1, which is why only the differences from the embodiment explained in FIG. 1 will be discussed below.
  • the positive (+) poles of the two-pole P1, P2, P3 are each connected to one of the first connections A1 and the negative (-) poles of the two-pole P1, P2, P3 are each connected to one of the second connections A2 of the device 1 connected.
  • the positive (+) poles of the two-pole P1, P2, P3 are each connected to one of the second connections A2 and the negative (-) poles of the two-pole P1, P2, P3 are each connected to one of the first Connections A1 of the device 1 connected.
  • the reference potential GND is formed here by the positive poles of the two-pole P1, P2, P3.
  • the bridge branches 5.1 - 5.3 only some of the first switches S1 (here: those of the bridge branches 5.1 and 5.2) and the second switch S2 are designed as diodes D (here: those of the bridge branches 5.1 and 5.3), while the others are actively controllable Switches are designed.
  • the flow direction of the first and second switches designed as diodes D is opposite to the embodiment shown in FIG. 2a, so that the same forward-conducting and reverse-blocking behavior results with regard to the power flows.
  • this type of connection of the two-pole P1, P2, P3 with the connection pairs A results in a particularly simple implementation of the current-limiting component 10.
  • a special DC/DC can be used here.
  • Converter-trained current-limiting component 10 namely a DC/DC converter with a low-side switch, can be controlled and operated more easily.
  • FIG. 3a A first embodiment of a current-limiting component 10, as can be used in the device 1, is shown in FIG. 3a.
  • the direction of the current 1 and the power flow P are shown in Fig. 3a (as well as in the following figures 3b, 3c) symbolized schematically using arrows.
  • the first S1 and second switches S2 of the device 1 (see, for example, FIG. 2a) designed as diodes D are also shown again in order to clarify their connection to the input 10.1 and the output 10.2.
  • Fig. 3a (as well as Fig. 3b) it is assumed that the positive (+) poles of the two-pole P1, P2, P3 are connected to one of the first connections A1, while their negative (-) poles are each connected to one of the second connections A2 - and thus to the reference potential GND.
  • the diodes D of the first switch S1 are each connected with their cathode to the input 10.1 and the diodes D of the second switch S2 are each connected with their anode to the output 10.2 .
  • the current flow I and the power flow P flow through the current-limiting component 10 in the same direction.
  • the flow-limiting component 10 can only contain one component.
  • the component can be designed as an ohmic resistor RVL.
  • the ohmic resistor RVL can be a thermistor, for example an NTC thermistor.
  • the current-limiting component 10 can also contain a transistor TVL that can be controlled by the control unit 9.
  • the transistor TVL can be controlled to operate in its linear region during the power flow P. However, it can advantageously be controlled in a clocked manner.
  • FIG. 3b shows a second embodiment of the current-limiting component 10, which is designed as a DC/DC converter.
  • This is in particular a DC/DC converter that steps down from input 10.1 to output 10.2.
  • the second embodiment can be used in a case in which the positive (+) poles of the two-pole P1, P2, P3 are each connected to one of the first terminals A1, while the negative (-) poles are each connected to one of the second terminals A2 - and are therefore connected to the reference potential GND.
  • the DC/DC converter includes a series connection of a transistor T and an inductor Lw, the connection point of which is connected to the reference potential GND of the device 1 via a diode Dw.
  • step-down DC/DC converter Although only a specific topology of a step-down DC/DC converter is shown here as an example, it is alternative It is also possible to use other known topologies of step-down DC/DC converters. However, due to the only unidirectional power flow specified by the first S1 and second switches S2, the DC/DC converter can be implemented in a simple design and therefore cost-effectively. Specifically, it is also sufficient to design the current-limiting component 10 as a DC/DC converter that only steps down in one direction and not as a DC/DC converter that steps down in both directions. By designing the current-limiting component as a step-down converter, it may be that a current flowing through the input 10.1 and a current flowing through the output 10.2 have different current intensities (not shown in FIG. 3b). However, both currents can be limited by suitable control of the step-down converter in a way that makes sense for the function of the current-limiting component.
  • 3c shows a third embodiment of the current-limiting component 10, which is also designed as a DC/DC converter that steps down from the input 10.1 to the output 10.2.
  • the third embodiment can be used in a case in which the negative (-) poles of the two-pole P1, P2, P3 are connected to one of the first connections A1, while the positive (+) poles of the two-pole P1, P2, P3 are each connected to one of the second connections A2 - and thus to the reference potential GND.
  • the diodes D of the first switch S1 are each connected with their anode to input 10.1.
  • the diodes D of the second switch S2 are each connected with their cathode to the output 10.2.
  • the current flow I is opposite to the power flow P.
  • Both potentials, that of the input 10.1 and also that of the output 10.2 are here smaller (i.e. more negative) or equal to the reference potential GND, which is through the positive (+) poles of the two-pole P1 , P2, P3 is formed.
  • the output 10.2 is at a more positive potential relative to the input 10.1, which generates the current flow I from the output 10.2 to the input 10.1, although the power flow P is still directed from the input 10.1 to the output 10.2.
  • the DC/DC converter of FIG. 3c also includes a series connection of a transistor T and an inductor Lw, the connection point of which is connected to the reference potential GND via a diode Dw.
  • the transistor Tw is a so-called low-side switch, whose emitter or source connection has a resting potential.
  • a gate-source voltage is required to control the transistor T. Compared to a stationary emitter or source potential, the required gate-source voltage can be generated much more easily than compared to an emitter or source potential, which - as would be the case with a high-side switch, for example - depends on the switching state of the transistor Tw and would therefore jump with the switching process of the transistor Tw.
  • a driver for providing the required gate-source voltage can therefore be implemented more simply and cost-effectively for the low-side switch shown in FIG. 3c.
  • FIG. 4a shows a first embodiment of a unidirectional switch 60, as can be used as a first switch S1 and/or as a second switch S2 within the device 1 in FIGS. 1, 2a and 2b.
  • the unidirectional switch 60 has a series circuit consisting of a diode 62 and a switch that is bidirectionally conductive in its closed state, i.e. is designed for a bidirectional power flow.
  • the bidirectionally conductive switch in the closed state is shown as an example of an electromechanical switch 61.
  • the electromechanical switch 62 another switch that is bidirectionally conductive in the closed state, for example a MOSFET, is also possible.
  • a further control state of the unidirectional switch 60 occurs when the electromechanical switch 61 is open. In this case, the power flow in both directions is suppressed. This can be used, for example, to temporarily suppress a power flow that is intended in principle but not permanently desired.
  • FIG. 4b shows a second embodiment of a unidirectional switch 60, which corresponds to a parallel connection of a diode 64 and a switch that is bidirectionally conductive in the closed state and is shown here as an example of an electromechanical switch 63.
  • the control state of the unidirectional switch 60 in which the unidirectional switch 60 in FIG. 4b behaves like a diode, i.e. enables a power flow in one direction and blocks it in the other direction, corresponds to the open state of the in FIG electromechanical switch 63.
  • a further control state of the unidirectional switch 60 according to FIG. 4b results when the electromechanical switch 63 is closed.
  • the further control state can be used to reduce a forward voltage of the unidirectional switch, and thus a power loss of the diode 64 caused by the power flow . It can also be used to temporarily enable a bidirectional power flow via the unidirectional switch 60.
  • the electromechanical switch 63 shown as an example it is also possible to use a semiconductor switch that is bidirectionally conductive in the closed state. If a MOSFET is used for this, it generally already contains a body diode, so that a separate diode 64 can be omitted.
  • the unidirectional switch 60 according to FIG. 4b can be designed as a MOSFET.
  • FIG. 4c shows a third embodiment of a unidirectional switch 60, in which the unidirectional switch 60 is designed as a thyristor 65.
  • the control state is ended by a current cancellation, i.e. a decay of the current I flowing through the unidirectional switch 60.
  • the unidirectional switch 60 formed by the thyristor 65 assumes a further control state, which is characterized by a bidirectional suppression of a power flow. This can be used to temporarily suppress a power flow that is intended in principle but not desired permanently.

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Abstract

Beschrieben ist eine Vorrichtung (1) zur Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n≥2) Zweipolen (P1, P2, P3). Die Vorrichtung umfasst eine stromlimitierende Komponente (10) mit einem Eingang (10.1) und einem Ausgang (10.2), und n Anschlusspaare (A) mit jeweils einem ersten Anschluss (A1) und einem zweiten Anschluss (A2) zum Anschluss der n Zweipole (P1, P2, P3). Zwei oder mehr der ersten Anschlüsse (A1) sind jeweils über einen ersten Schalter (S1) oder direkt mit dem Eingang (10.1) verbunden. Zusätzlich sind zwei oder mehr der ersten Anschlüsse (A1) jeweils über einen zweiten Schalter (S2) mit dem Ausgang (10.2) verbunden. Die zweiten Anschlüsse (A2) sind mit einem gemeinsamen Bezugspotential GND verbunden oder schaltbar verbunden. Die Vorrichtung (1) ist ausgelegt, Schaltzustände der ersten Schalter (S1) und der zweiten Schalter (S2) mittels einer Steuerungseinheit (9) und/oder mittels an den ersten Anschlüssen (A1) anliegenden Spannungen derart einzustellen, dass eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente (10) in deren Eingang (10.1) und nicht in deren Ausgang (10.2), und eine Leistungsabgabe der stromlimitierenden Komponente (10) aus deren Ausgang (10.2) und nicht aus deren Eingang (10.1) erfolgt. Zudem sind ein mit der Vorrichtung (1) durchführbares Verfahren zur Spannungsangleichung vvoonn nn Zweipolen (P1, P2, P3) und eine DC- Energieverteilungsanlage beschrieben.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR SPANNUNGSANGLEICHUNG MEHRERER ZWEIPOLE, SOWIE DC-ENERGIEVERTEILUNGSANLAGE
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsangleichung mehrerer Zweipole. Bei den Zweipolen kann es sich insbesondere um Zweipole handeln, die ausgelegt sind, in einem Gleichstromkreis (DC-Kreis) miteinander verschaltet zu werden. Die Zweipole können einen oder mehrere Zweipole beinhalten, die bei der Spannungsangleichung leistungsabgebend operieren. Es ist jedoch auch möglich, dass sie einen oder mehrere, insbesondere bei der Spannungsangleichung leistungsaufnehmend operierende Zweipole aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine DC-Energieverteilungsanlage mit einer derartigen Vorrichtung.
Stand der Technik
Viele elektrische und elektronische Geräte beinhalten eine an ihren Anschlüssen wirksame Kapazität und/oder weisen ein kapazitives Verhalten an ihren Anschlüssen auf. Derartige Geräte müssen vor Aufnahme ihres normalen Betriebs, insbesondere beim Verbinden der Anschlüsse mit einer Spannungsquelle, strombegrenzt vorgeladen werden. Beispielsweise können Wechselrichter mit einem ungeladenen Gleichspannungszwischenkreis (DC-Zwischenkreis) hoher Kapazität DC-seitig nicht ohne weiteres an eine Batterie angeschlossen werden. Hier würde nämlich die Batterie in den anfänglich ungeladenen DC-Zwischenkreis speisen und zumindest kurzzeitig einen hohen Einschaltstrom generieren, der Komponenten des Wechselrichters, z.B. Halbleiterschalter und/oder Zwischenkreiskondensatoren beschädigen könnte. Ähnliches gilt auch für Geräte mit einer hohen an ihrem Anschluss wirksamen Kapazität, die mit der DC-Seite des Wechselrichters verbunden werden. Hier kann sich die aufgeladene Kapazität der Geräte zumindest kurzzeitig als Spannungsquelle verhalten und einen hohen Einschaltstrom auf den DC-Zwischenkreis des Wechselrichters generieren. Ein ähnliches Problem ergäbe sich auch in umgekehrter Richtung, wenn nämlich eine DC-Seite eines Wechselrichters, der einen aufgeladenen DC-Zwischenkreis umfasst, mit einem Anschluss eines elektrischen Gerätes verbunden wird, das eine ungeladene wirksame Kapazität an seinem Anschluss aufweist. Als Geräte mit einer entsprechend hohen Kapazität kommen hier beispielsweise Elektrolyseure oder DC-Busse von Gleichstromnetzen (DC-Netze) in Frage, bei denen teilweise gar nicht bekannt ist, welche Kapazitäten angeschlossen sind. Auch wenn der Wechselrichter AC-seitig mit einer AC-Spannungsquelle, beispielsweise einem AC-Netz verbunden wird, können über Freilaufdioden einer Brückenschaltung des Wechselrichters hohe Einschaltströme auf den anfänglich ungeladenen DC-Zwischenkreis erzeugt werden, die die Freilaufdioden oder andere in dem Pfad des Einschaltstroms liegende Komponenten des Wechselrichters schädigen können.
Um derartige Schäden zu vermeiden ist bekannt, Geräte mit einer anfänglich ungeladenen Kapazität über einen Vorladewiderstand oder über eine aktiv gesteuerte stromlimitierende Komponente, beispielsweise einen DC/DC-Wandler vorzuladen, bevor diese niederohmig mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Auf diese Weise kann eine kontrollierte Angleichung der Spannungen des Gerätes einerseits und der Spannungsquelle andererseits erfolgen und ein hoher Einschaltstrom wird unterdrückt.
Bei komplexen elektrischen DC-Energieverteilungsanlagen müssen häufig mehrere Geräte mit jeweils großer Kapazität gleichzeitig oder auch nacheinander verbunden und damit vorgeladen werden. Um die Geräte möglichst flexibel einzusetzen, kann es zudem gewünscht sein, verschiedene Vorladepfade für ein Gerät vorzusehen. Konkret kann es beispielsweise gewünscht sein, einen DC-Zwischenkreis eines Wechselrichters zu einer Zeit über die DC-Seite und zu einer anderen Zeit über die AC-Seite des Wechselrichters vorladen zu können. Um diesen Anforderungen sämtlich gerecht zu werden, kann/können für jedes der Geräte ein oder auch mehrere separate Vorladewiderstände vorgehalten werden, was jedoch insgesamt zu signifikanten hohen Kosten führen würde. Weiterhin kann es sein, dass einzelne Geräte, insbesondere bei einer in mehreren Stufen erfolgenden Spannungsangleichung zu einer Zeit leistungsaufnehmend und zu einer anderen Zeit leistungsabgebend operieren. Eine aktive gesteuerte ström limitierende Komponente müsste in diesem Fall für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt werden, was ebenfalls, relativ zu einer lediglich unidirektional operierenden ström limitierenden Komponente, mit erhöhten Kosten verbunden ist.
Die Druckschrift EP 2760096 A1 offenbart ein elektrisches Speichersystem, das mit einer lediglich geringen Anzahl an Strombegrenzungswiderständen operiert. Dabei beinhaltet das Speichersystem ein Ladegerät, das Energie von einer externen Stromquelle an eine elektrische Speichervorrichtung und Energie von der elektrischen Speichervorrichtung an ein externes Gerät liefert. Ein erstes Hauptrelais und ein zweites Hauptrelais ermöglichen eine Verbindung eines positiven Elektrodenanschlusses und eines negativen Elektrodenanschluss der elektrischen Speichervorrichtung mit einer Last. Ein drittes Hauptrelais ist in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand geschaltet und zusammen mit dem Strombegrenzungswiderstand parallel zu dem ersten Hauptrelais geschaltet. Ein erstes Laderelais und ein zweites Laderelais ermöglichen eine Verbindung von dem positiven und dem negativen Elektrodenanschluss der elektrischen Speichervorrichtung zu dem Ladegerät. Ein drittes Laderelais ist in Reihe mit dem Strombegrenzungswiderstand geschaltet und zusammen mit dem Strombegrenzungswiderstand parallel zu dem ersten Laderelais geschaltet. Dabei ist es notwendig, dass ein Leistungsfluss durch den Strombegrenzungswiderstand in zwei zueinander entgegengesetzte Richtungen, also bidirektional, erfolgt. Ein Ersatz des Strombegrenzungswiderstandes durch eine lediglich unidirektional operierende ström limitierende Komponente ist hier nicht möglich.
Die Druckschrift DE 10 2011 083741 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur variablen Verschaltung von Energiequellen und Energieverbrauchern, aufweisend einen bidirektionalen AC/DC-Wandler, einen DC/DC-Wandler, wenigstens vier elektrischen Schaltern und einer Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Wandler.
Die Druckschrift DE 10 2011 088457 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, mit einem Eingangsspannungspolpaar zum Anschließen einer Spannungsquelle, einem Ausgangsspannungspolpaar zum Abgreifen einer Ausgangsspannung und einer Halbbrücke mit zwei steuerbaren Schaltelementen und einer Drossel, die mit einem zwischen den steuerbaren Schaltelementen angeordneten Halbbrückenabgriff verbunden ist. Dabei ist die Halbbrücke mittels einer Schalteranordnung wenigstens entweder mit dem ersten Eingangsspannungspol oder dem ersten Ausgangsspannungspol verbindbar, wobei die Drossel mit dem Eingang oder dem Ausgang verbunden ist oder verbindbar ist.
Die Druckschrift US 2014 / 0009106 A1 offenbart eine Batterie- und Lastausgleichsschaltung zur Verhinderung eines Einschaltstromstoßes beim anfänglichen Parallelschalten von Batterien und/oder Lasten. Dabei werden verschiedene Techniken genutzt, beispielsweise ein Laden und ein Entladen unter Verwendung von Gleichstromwandlern, um Ladungen zwischen Batterien und zwischen Batterien und kapazitiven Lasten auszugleichen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsangleichung von mehreren Zweipolen, insbesondere zur Vorladung und/oder Entladung von einem oder mehreren der Zweipole anzugeben. Dabei soll eine Umsetzung des Verfahrens, und auch der Vorrichtung, mit einem möglichst geringen Kostenaufwand verbunden sein. Insbesondere soll die Vorrichtung und das Verfahren geeignet sein, eine Spannungsangleichung mehrerer Zweipole mit einer möglichst geringen Anzahl an ström limitierenden Komponenten herbeizuführen. Dabei soll auch eine möglichst einfache und kostengünstige Bauweise der stromlimitierenden Komponenten ermöglicht werden, insbesondere in einem Fall, bei dem es sich um eine aktiv gesteuerte ström limitierende Komponente handelt. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete DC- Energieverteilungsanlage aufzuzeigen.
Lösung
Die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Spannungsangleichung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Spannungsangleichung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Die Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete DC-Energieverteilungsanlage aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung, sind in den Ansprüchen 2 bis 12, vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens in den Ansprüchen 14 bis 18 und vorteilhafte Ausführungsformen der DC-Energieverteilungsanlage in den Ansprüchen 20 bis 21 genannt. Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgelegt, eine Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen (P1 , P2, P3) durchzuführen. Dabei kann zumindest einer, gegebenenfalls auch mehrere der Zweipole eine anschlussseitig wirksame Kapazität oder ein anschlussseitig wirksames kapazitives Verhalten aufweisen. Die Vorrichtung umfasst: eine ström limitierende Komponente mit einem Eingang und einem Ausgang, und n Anschlusspaare mit jeweils einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss zum Anschluss der n Zweipole.
Dabei sind zwei oder mehr der ersten Anschlüsse jeweils über einen ersten Schalter oder direkt mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente verbunden. Dadurch sind diese zwei oder mehr der n Anschlusspaare ausgelegt, mit einem zumindest temporär leistungsabgebend operierenden Zweipol verbunden zu werden. Weiterhin sind zwei oder mehr der ersten Anschlüsse jeweils über einen zweiten Schalter mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden, wodurch diese zwei oder mehr der n Anschlusspaare ausgelegt sind, jeweils mit einem zumindest temporär leistungsaufnehmend operierenden Zweipol verbunden zu werden. Die zweiten Anschlüsse der n Anschlusspaare sind direkt oder schaltbar miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugspotential GND verbunden. Die Vorrichtung ist ausgelegt, Schaltzustände der ersten Schalter und der zweiten Schalter mittels einer Steuerungseinheit und/oder mittels an den ersten Anschlüssen gegenüber dem Bezugspotenzial - und damit auch gegenüber den zweiten Anschlüssen - anliegenden Spannungen derart einzustellen, dass eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der ersten Schalter oder die direkte Verbindung zu dem Eingang der stromlimitierenden Komponente erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der zweiten Schalter, und eine Leistungsabgabe der ström limitierenden Komponente an einen oder mehrere der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der zweiten Schalter erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der ersten Schalter. Weiterhin wird über die Schaltzustände der ersten und der zweiten Schalter auch lediglich ein unidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente, nämlich vom Eingang der ström limitierenden Komponente hin zu deren Ausgang ermöglicht, wohingegen ein vom Ausgang zum Eingang gerichteter Leistungsfluss, und damit ein bidirektionaler Leistungsfluss über die stromlimitierende Komponente, unterdrückt wird. Nicht zu dieser Unterdrückung passende Schaltzustände können durch eine geeignete Ansteuerung der ersten Schalter und der zweiten Schalter vermieden werden oder durch jeweiligen Einsatz eines unidirektionalen Schalters als ersten Schalter und/oder als zweiten Schalter von vornherein ausgeschlossen werden. Mittels der Vorrichtung kann somit ein Leistungsfluss, der von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse, die jeweils einem leistungsabgebenden Zweipol zugeordnet sind, entlang eines Pfades über die stromlimitierende Komponente, zu einem oder mehreren der ersten Anschlüsse, die jeweils einem leistungsaufnehmenden Zweipol zugeordnet sind, ermöglicht werden. Wenn erforderlich, kann jedoch mittels der Schaltzustände der ersten und der zweiten Schalter ein Leistungsfluss zwischen zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse unter Umgehung der ström limitierenden Komponente zumindest temporär unterdrückt werden. Auch zu diesem Zweck ist es möglich und vorteilhaft, die Schalter als unidirektionale Schalter auszubilden.
Eine Leistungsaufnahme oder -abgabe an einzelnen Kontakten ist im Rahmen dieser Beschreibung immer gegenüber dem Bezugspotenzial GND zu verstehen. Das bedeutet, dass sich die Leistungsaufnahme in einen Kontakt aus dem Strom in den Kontakt hinein multipliziert mit der Spannung zwischen dem Kontakt und dem Bezugspotenzial GND ergibt. Entsprechend ergibt sich eine Leistungsabgabe aus einem Kontakt aus dem Strom aus dem Kontakt heraus multipliziert mit der Spannung zwischen dem Kontakt und dem Bezugspotenzial GND. Ein Leistungsfluss durch eine Komponente bedeutet, dass diese an einem Kontakt eine Leistung aufnimmt und an einem anderen Kontakt eine Leistung abgibt. Als Kontakt im Sinne dieser Beschreibung kann hier insbesondere der erste Anschluss oder der zweite Anschluss eines Zweipols verstanden werden. Zusätzlich kann sich der Begriff „Kontakt“ auch auf den Eingang oder den Ausgang der ström limitierenden Komponente beziehen. Schließlich kann es sich bei dem Kontakt auch um einen Kontakt eines der Schalter aus erstem und zweitem Schalter handeln.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht eine Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen, von denen zumindest einer eine anschlussseitig wirksame Kapazität beinhaltet oder ein anschlussseitig wirksames kapazitives Verhalten aufweist. Das Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen und umfasst die Schritte:
Verbinden der n Zweipole mit jeweils einem der Anschlusspaare der Vorrichtung, sofern diese noch nicht verbunden sind, so dass zwei oder mehr der n Zweipole jeweils einpolig direkt, oder über einen ersten Schalter schaltbar mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente und zwei oder mehr der n Zweipole jeweils einpolig über einen zweiten Schalter schaltbar mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden sind,
Herbeiführen der Spannungsangleichung über ein Einstellen von Schaltzuständen der ersten Schalter und der zweiten Schalter m ittels der Steuereinheit und/oder mittels an den ersten Anschlüssen anliegender Spannungen derart, dass eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der ersten Schalter oder die direkte Verbindung zu dem Eingang der ström limitierenden Komponente erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der zweiten Schalter, und dass eine Leistungsabgabe der ström limitierenden Komponente an einen oder mehrere der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der zweiten Schalter erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der ersten Schalter, so dass ein unidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente vom Eingang zum Ausgang ermöglicht wird, und ein vom Ausgang zum Eingang gerichteter rückläufiger Leistungsfluss - und damit auch ein bidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente - verhindert wird.
Bei dem Verfahren wird also mittels der Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente an deren Eingang und nicht an deren Ausgang verlagert, während eine Leistungsabgabe der stromlimitierenden Komponente stets an deren Ausgang und nicht an deren Eingang erfolgt. Somit resultiert ein vom Eingang zum Ausgang der ström limitierenden Komponente gerichteter unidirektionaler Leistungsfluss, der von einem oder mehreren leistungsabgebend operierenden der n Zweipole ausgeht und entlang eines Pfades über dieselbe ström limitierende Komponente hin zu einem oder mehreren leistungsaufnehmend operierenden der n Zweipole verläuft. Wenn gewünscht, kann dabei ein Leistungsfluss zwischen zwei oder mehreren der n Zweipole unter Umgehung der ström limitierenden Komponente unterdrückt, zumindest jedoch temporär unterdrückt werden.
Eine Spannungsangleichung zwischen mehreren Zweipolen kann ausschließlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Verfahren mit anderen bekannten Verfahren der Spannungsangleichung kombiniert werden kann. Beispielsweise können zwei der ersten Anschlüsse zusätzlich zu dem Pfad, der über die ström limitierende Komponente führt, auch über einen weiteren, nicht über die ström limitierende Komponente führenden Pfad verbunden oder schaltbar verbunden sein. Konkret können beispielsweise die ersten Anschlüsse zweier Zweipole über eine weitere Impedanz, beispielsweise einen weiteren Vorladewiderstand, verbunden sein oder schaltbar verbunden sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zur Spannungsangleichung der betreffenden zwei Zweipole ein großer Leistungsfluss erforderlich ist, der eine Stromtragfähigkeit der ström limitierenden Komponente übersteigt.
Ein Zweipol im Sinne der Erfindung kann lediglich zwei Pole beinhalten. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der Zweipol mehr als zwei, beispielsweise vier oder mehr Pole aufweist. In diesem Fall können einzelne Pole paarweise jeweils als Zweipol betrachtet werden. Beispielsweise kann eine DC-Seite eines AC/DC-Wandlers ein Zweipol im Sinne der Erfindung sein. Gleiches gilt für eine Eingangsseite, wie auch eine Ausgangsseite eines DC/DC-Wandlers. Ein leistungsabgebend operierender Zweipol kann, jedoch muss nicht zwingend zu jeder Zeit leistungsabgebend operieren. Vielmehr ist es möglich, dass ein Zweipol oder einzelne Zweipole bei der Spannungsangleichung sowohl leistungsabgebend als auch leistungsaufnehmend operieren können, sofern dies zu unterschiedlichen Zeiten erfolgt. Beispielsweise kann ein derartiger Zweipol zu einer Zeit leistungsabgebend operieren und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend operieren. Ein derartiges Verhalten kann insbesondere bei einer mehrstufig erfolgenden Spannungsangleichung vorliegen. Gleiches gilt analog für einen leistungsaufnehmenden Zweipol. Auch dieser kann im Rahmen der Spannungsangleichung zu einer Zeit leistungsabgebend und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend operieren.
Eine Spannungsangleichung im Rahmen der Erfindung kann insbesondere eine Vorladung eines zuvor ungeladenen oder nur teilweise aufgeladenen Zweipols oder mehrerer zuvor ungeladener oder nur teilweise geladener Zweipole umfassen, die an die Vorrichtung angeschlossen sind. Dabei können diejenigen Zweipole, die bei der Spannungsangleichung vorgeladen werden, jeweils leistungsaufnehmend operieren. Alternativ dazu kann die Spannungsangleichung auch eine vollständige oder teilweise Entladung eines zuvor aufgeladenen Zweipols oder mehrerer zuvor aufgeladener Zweipole umfassen, die an die Vorrichtung angeschlossen sind. Dabei können diejenigen Zweipole, die bei der Spannungsangleichung entladen werden sollen, jeweils leistungsabgebend operieren.
Während der Spannungsangleichung kann sich die Spannung eines oder können sich die Spannungen mehrerer der an dem Leistungsfluss beteiligten Zweipole zeitlich ändern. Das ist insbesondere für diejenigen Zweipole der Fall, die eine anschlussseitig, d.h. zwischen ihren beiden Polen wirksame Kapazität beinhalten oder ein kapazitives Verhalten an ihren Polen aufweisen. Konkret kann dabei eine zwischen den Polen eines leistungsabgebenden Zweipols anliegende Spannung zeitlich abnehmen. In entsprechender Weise kann eine zwischen den Polen eines leistungsaufnehmenden Zweipols anliegende Spannung zeitlich zunehmen. Neben Zweipolen, die ihre Spannungen zeitlich ändern, kann es auch Zweipole geben, die eine zeitlich invariante Spannung aufweisen. Das ist beispielsweise bei Zweipolen der Fall, bei der eine aus den Polen abfließende Leistung durch eine Energiequelle kompensiert wird, die Bestandteil des Zweipols ist, oder die an einen dritten und einen vierten Pol des Zweipols angeschlossen ist. In jedem Fall ergibt sich im zeitlichen Verlauf der Spannungsangleichung eine Änderung der Spannungen von zumindest einem Zweipol, gegebenenfalls auch von mehreren Zweipolen derart, dass sich die Spannungen der leistungsabgebenden Zweipole und die Spannungen der leistungsaufnehmenden Zweipole einander angleichen.
Die optionale Unterdrückung des Leistungsflusses unter Umgehung der ström limitierenden Komponente zwischen zwei oder mehreren ersten Anschlüssen, die jeweils einem leistungsabgebenden Zweipol zugeordnet sind, muss nicht zwingenderweise dauerhaft erfolgen. Vielmehr kann es ausreichend sein, wenn diese im zeitlichen Verlauf der Spannungsangleichung zumindest so lange erfolgt, bis eine ausreichende Angleichung zwischen den Spannungen der entsprechenden ersten Anschlüsse vorliegt, so dass sich diese nur noch geringfügig voneinander unterscheiden. Gleiches gilt so auch für die optionale Unterdrückung des Leistungsflusses unter Umgehung der ström limitierenden Komponente zwischen denjenigen ersten Anschlüssen, die jeweils einem leistungsaufnehmenden Zweipol zugeordnet sind.
Bei der Spannungsangleichung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie auch mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über die Schaltzustände der ersten Schalter eingestellt, welcher der prinzipiell für eine Leistungsabgabe vorgesehenen Zweipole zu einer bestimmten Zeit leistungsabgebend operiert. Über die Schaltzustände der zweiten Schalter wird eingestellt, welcher der prinzipiell für eine Leistungsaufnahme vorgesehenen Zweipole zu einer bestimmten Zeit leistungsaufnehmend operiert. Daher kann über die Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter auch eingestellt werden, welcher / welche der leistungsabgebenden Zweipole zu einer bestimmten Zeit mit welchem / welchen der leistungsaufnehmenden Zweipole verbunden ist. Dabei erfolgt der Leistungsfluss von einem oder mehreren leistungsabgebend operierenden Zweipolen hin zu einem oder mehreren leistungsaufnehmenden Zweipolen stets über dieselbe stromlimitierende Komponente. Diese muss somit lediglich einmalig, und nicht für jeden Zweipol, und auch nicht für jedes Paar aus Zweipolen, zwischen denen eine Spannungsangleichung erfolgen soll, separat vorgehalten werden, was insbesondere mit zunehmender Anzahl der Zweipole eine enorme Kostenersparnis bedeutet. Zusätzlich wird über die Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter ein lediglich unidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente von deren Eingang zu deren Ausgang hin vorgegeben. Konkret erfolgt über die ersten Schalter lediglich eine Leistungsabgabe von aktuell gerade leistungsabgebend operierenden Zweipolen an den Eingang der ström limitierenden Komponente. Weiterhin erfolgt über die zweiten Schalter lediglich eine Leistungsaufnahme von aktuell gerade leistungsaufnehmend operierenden Zweipolen aus dem Ausgang der ström limitierenden Komponente. Daher ist es ausreichend, die stromlimitierende Komponente selbst auch lediglich für einen unidirektionalen Leistungsfluss auszulegen. Sie kann daher relativ zu einer für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegten ström limitierenden Komponente auch kostengünstiger realisiert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich um eine aktiv steuerbare ström limitierende Komponente, beispielsweise einen DC/DC-Wandler handelt. Wenn für die Spannungsangleichung ein als Tiefsetzsteller ausgebildeter DC/DC-Wandler gewünscht ist, so ist es ausreichend, dass dieser lediglich in eine Richtung, beispielsweise vom Eingang zum Ausgang hin tiefsetzend operieren kann. Er muss nicht zusätzlich ausgebildet sein, auch vom Ausgang zum Eingang hin tiefsetzend zu operieren, da ein derart gerichteter Leistungsfluss über die Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter unterdrückt wird. Weiterhin reicht es im Allgemeinen aus, wenn der DC/DC-Wandler einen Strom in lediglich eine Richtung führen kann, so dass z.B. ein Tiefsetzsteller mit nur einem aktiven Schalter ausgeführt werden kann und nicht als Halbbrücke ausgeführt werden muss. Insgesamt ergibt sich durch Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie auch des erfindungsgemäßen Verfahrens eine einfache und kostengünstig durchführbare Spannungsangleichung mehrerer Zweipole. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
Prinzipiell ist es möglich, dass die Vorrichtung zur Spannungsangleichung von lediglich zwei Zweipolen ausgelegt ist, d. h. dass gilt: n=2. In diesem Fall weist die Vorrichtung lediglich zwei Anschlusspaare auf, wobei die ersten Anschlüsse beider Anschlusspaare jeweils sowohl über einen ersten Schalter mit dem Eingang als auch über einen zweiten Schalter mit dem Ausgang der stromlimitierenden Komponente verbunden sind. In diesem Fall sind beide Zweipole dafür ausgelegt, prinzipiell, d.h. zu verschiedenen Zeiten, sowohl leistungsabgebend als auch leistungsaufnehmend zu operieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung jedoch für eine Spannungsangleichung von drei oder mehr (n>3) Zweipolen ausgelegt sein und zu diesem Zweck drei oder mehr Anschlusspaare aufweisen. Dabei können zumindest temporär mindestens drei, gegebenenfalls mehr, optional auch alle der ersten Anschlüsse - und der daran angeschlossenen Zweipole - gleichzeitig an dem Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente beteiligt sein. Der Kostenvorteil des Verfahrens wie auch der Vorrichtung steigt mit der Anzahl der Zweipole, die an der Spannungsangleichung beteiligt sind, da jeder neu hinzukommende Zweipol die bereits bestehende ström limitierende Komponente nutzen kann. Auch in einen Fall, bei dem die Vorrichtung zur Spannungsangleichung von mehr als lediglich zwei Zweipolen ausgelegt ist (n>3), kann ein Zweipol / können mehrere Zweipole, beispielsweise bei einer mehrstufigen Spannungsangleichung, zu einer Zeit leistungsabgebend und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend operieren. Daher ist es auch in diesem Fall möglich, dass ein erster Anschluss oder mehrere der ersten Anschlüsse jeweils sowohl über einen ersten Schalter schaltbar mit dem Eingang als auch über einen zweiten Schalter schaltbar mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden sind. Dabei werden einer / mehrere den ersten Anschlüssen jeweils zugeordnete Brückenzweige gebildet, der / die jeweils eine Reihenschaltung des dem ersten Anschluss jeweils zugeordneten ersten Schalters und des dem ersten Anschluss jeweils zugeordneten zweiten Schalters aufweisen. Dabei sind die ersten Anschlüsse mit Zweigabgriffen, die jeweils innerhalb der Brückenzweige zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter angeordnet sind, mit den ihnen zugeordneten Brückenzweigen verbunden. So kann jeder der entsprechenden ersten Anschlüsse bei einem leistungsabgebenden Betrieb des jeweils angeschlossenen Zweipols über einen geschlossenen ersten Schalter leitend mit dem Eingang verbunden werden und bei einem leistungsaufnehmenden Betrieb des jeweils angeschlossenen Zweipols über einen geschlossenen zweiten Schalter mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden werden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Leistungsfluss stets unidirektional vom Eingang zum Ausgang der stromlimitierenden Komponente gerichtet ist, unabhängig davon, ob ein bestimmter Zweipol gerade leistungsaufnehmend oder leistungsabgebend operiert.
Bei der Vorrichtung kann zumindest einer der ersten Schalter und/oder zumindest einer der zweiten Schalter jeweils eine Diode D aufweisen oder jeweils als eine Diode D ausgebildet sein. In diesem Fall kann dem zumindest einen ersten Schalter und/oder dem zumindest einen zweiten Schalter über die von dem Schalter umfasste Diode ein vorwärts leitendes und rückwärts sperrendes Verhalten aufgeprägt werden. Ein vorwärts leitendes Verhalten kann in diesem Zusammenhang bei einem ersten Schalter als ein Leitverhalten verstanden werden, das einen Leistungsfluss aus dem dem ersten Schalter zugeordneten Zweipol heraus ermöglicht, während es bei einem zweiten Schalter ein Leitverhalten bezeichnet, das einen Leistungsfluss in den dem zweiten Schalter zugeordneten Zweipol hinein ermöglicht. Entsprechend kann ein rückwärts sperrendes Verhalten in diesem Zusammenhang bei einem ersten Schalter als ein Sperrverhalten verstanden werden, das einen Leistungsfluss in den dem ersten Schalter zugeordneten Zweipol hinein blockiert, während es bei einem zweiten Schalter ein Sperrverhalten bezeichnet, das einen Leistungsfluss aus den dem zweiten Schalter zugeordneten Zweipol heraus blockiert.
Damit können unerwünschte Schaltzustände, d.h. Schaltzustände, die dem gewünschten unidirektionalen Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente entgegenstehen, über das rückwärtssperrende Verhalten der entsprechenden ersten Schalter und/oder zweiten Schalter unterdrückt werden. Dabei können die Schaltzustände der entsprechenden ersten und/oder zweiten Schalter, die jeweils eine Diode aufweisen oder jeweils als eine Diode ausgebildet sind, durch die an den ersten Anschlüssen relativ zum GND Potential anliegenden Spannungen, also die jeweiligen Spannungen der Zweipole, eingestellt werden und es ist nicht erforderlich, die Schaltzustände über eine Steuerungseinheit zu steuern. Bei einer Vielzahl von jeweils als Diode ausgebildeten ersten Schaltern nimmt stets diejenige Diode einen leitfähigen Schaltzustand ein, bei der der Diode zugeordnete Zweipol im Vergleich zu den anderen Zweipolen eine maximale Spannung oder eine minimale Spannung aufweist. Das gleiche gilt so auch für die zweiten Schalter, die jeweils als Diode ausgebildet sind. Daher kann eine Steuerungseinheit gegebenenfalls gänzlich entfallen, beispielsweise wenn jeder der ersten Schalter und zweiten Schalter als eine Diode ausgebildet ist, oder eine aus anderen Gründen notwendige Steuerungseinheit kann einfacher ausgebildet sein, da sie weniger Funktionen abarbeiten muss, was sich vorteilhaft auf die entstehenden Kosten einer entsprechenden Vorrichtung auswirkt. Zudem ist eine Diode üblicherweise kostengünstiger als ein aktiv ansteuerbarer Halbleiterschalter, wodurch ebenfalls ein Kostenvorteil der entsprechenden Vorrichtung generiert wird. Es versteht sich von selbst, dass bei der Vorrichtung auch mehrere, gegebenenfalls auch jeder der ersten Schalter jeweils eine Diode aufweisen kann oder als eine Diode ausgebildet sein kann. Alternativ oder kumulativ dazu können auch mehrere der zweiten Schalter, gegebenenfalls kann auch jeder der zweiten Schalter jeweils eine Diode aufweisen oder als eine Diode ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform kann jeder der ersten Schalter und jeder der zweiten Schalter der Vorrichtung als Diode ausgeführt sein. In diesem Fall können die Dioden als fertig erhältliche Diodenbrücken ausgeführt werden, wodurch sich weitere Platz- und Kosteneinsparungen ergeben. Die Unterdrückung temporär unerwünschter Leistungsflüsse innerhalb der Vorrichtung ist dabei über dritte Schalter möglich. Alternativ oder kumulativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass zumindest einer, gegebenenfalls auch mehrere, der ersten Schalter und/oder zumindest einer, gegebenenfalls auch mehrere, der zweiten Schalter jeweils einen durch die Steuerungseinheit ansteuerbaren Schalter umfasst. Dabei kann es sich insbesondere um einen Halbleiterschalter oder einen elektromechanischen Schalter handeln. In einem solchen Fall ist es selbstverständlich, dass die Vorrichtung eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der entsprechenden ersten und/oder zweiten Schalters umfasst. So kann ein über die Steuerungseinheit ansteuerbarer Schalter unabhängig von einer Spannung gesteuert werden, die an dem ihm zugeordneten ersten Anschluss relativ zum Bezugspotential GND anliegt, was einen größeren Freiheitsgrad bei der Durchführung des Verfahrens ermöglicht. In diesem Fall kann ein unidirektionaler Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente mittels geeigneter Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter über die Steuereinheit eingestellt werden.
Alternativ oder kumulativ zu den vorgenannten Fällen ist es auch möglich, einen bidirektionalen Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente dadurch zu unterdrücken, dass einer, mehrere oder jeder der ersten Schalter und/oder einer, mehrere oder jeder der zweiten Schalter einen unidirektionalen Schalter umfassen. Ein unidirektionaler Schalter im Sinne der Anmeldung ist ein Schalter mit mindestens einem Ansteuerzustand, welcher ausgelegt ist, einen Leistungsfluss in einer Richtung zu ermöglichen und in der entgegengesetzten Richtung zu unterdrücken. Ein derartiger unidirektionaler Schalter weist somit in dem betreffenden Ansteuerzustand - ähnlich wie eine Diode - ein rückwärts sperrendes und vorwärts leitendes Verhalten auf. Dabei ist zwischen Ansteuerzustand und Schaltzustand des unidirektionalen Schalters zu unterscheiden. So kann ein Ansteuerzustand nämlich mehrere Schaltzustände umfassen. Beispielsweise umfasst der oben genannte betreffende Ansteuerzustand, der durch ein vorwärts leitendes und rückwärts sperrendes Verhalten gekennzeichnet ist, zwei Schaltzustände, nämlich den Schaltzustand „geschlossen“ bzw. „leitend“ für einen vorwärts gerichteten Leistungsfluss und den Schaltzustand „geöffnet“ bzw. „sperrend“ für einen rückwärts gerichteten Leistungsfluss. Zur Einnahme der Ansteuerzustände kann der unidirektionale Schalter mehrere unterschiedliche Schalter umfassen oder aus diesen aufgebaut sein. Ein unidirektionaler Schalter kann, muss aber nicht zwingenderweise, aktiv ansteuerbar sein und hierzu einen Steueranschluss zur Einnahme des Ansteuerzustandes aufweisen. Ein unidirektionaler Schalter, der nicht aktiv ansteuerbar ist, weist nur einen einzigen Ansteuerzustand auf. Ein aktiv ansteuerbarer unidirektionaler Schalter hingegen kann weitere Ansteuerzustände aufweisen, die im Betrieb der Vorrichtung vorteilhaft genutzt werden können. Als Beispiel für einen unidirektionalen Schalter sind exemplarisch und nicht limitierend zu nennen:
• eine Serienschaltung aus einem elektromechanischen Schalter und einer Diode,
• eine Serienschaltung aus einem bidirektional leitenden Halbleiterschalter und einer Diode
• eine Parallelschaltung eines rückwärtssperrenden Halbleiterschalters und einer Diode,
• ein rückwärtssperrender Halbleiterschalter, z.B. ein reverse blocking IGBT,
• eine Diode, und
• ein Thyristor.
Einige unidirektionale Schalter und ihre vorteilhaften Eigenschaften für den Betrieb der Vorrichtung werden in Fig. 4a - 4c näher beschrieben.
Bei der Vorrichtung kann nun zumindest einer der ersten Schalter als unidirektionaler Schalter ausgebildet sein, der sich in dem betreffenden Ansteuerzustand wie eine Diode verhält, deren Durchflussrichtung so orientiert ist, dass ein Leistungsfluss von dem dem ersten Schalter zugeordneten ersten Anschluss zum Eingang der ström limitierenden Komponente ermöglicht wird, ein Leistungsfluss von dem Eingang der ström limitierenden Komponente zu dem betreffenden ersten Anschluss jedoch unterdrückt wird. Auf diese Weise wird in dem betreffenden Ansteuerzustand auch ein Leistungsfluss über den ersten Schalter in den zugeordneten ersten Anschluss, und damit auch ein direkter Leistungsfluss aus einem anderen Zweipol in den an den betreffenden ersten Anschluss angeschlossenen Zweipol unter Umgehung der ström limitierenden Komponente unterbunden.
Entsprechend kann bei der Vorrichtung zumindest einer der zweiten Schalter als unidirektionaler Schalter ausgebildet sein, der sich zumindest in dem betreffenden Ansteuerzustand wie eine Diode verhält, deren Durchflussrichtung so orientiert ist, dass ein Leistungsfluss von dem Ausgang der ström limitierenden Komponente zu dem dem zweiten Schalter zugeordneten ersten Anschluss ermöglicht wird, ein Leistungsfluss von dem entsprechenden ersten Anschluss zum Ausgang der stromlimitierenden Komponente jedoch unterdrückt wird. Auf diese Weise wird in dem betreffenden Ansteuerzustand ebenfalls ein Leistungsfluss über den zweiten Schalter aus dem ihm zugeordneten ersten Anschluss, und damit auch ein direkter Leistungsfluss aus dem an den ersten Anschluss angeschlossenen Zweipol in einen anderen Zweipol unter Umgehung der ström limitierenden Komponente unterbunden.
Wenn vorteilhaft alle ersten und zweiten Schalter der Vorrichtung als unidirektionale Schalter ausgeführt sind, kann zumindest dann, wenn alle diese Schalter den betreffenden Ansteuerzustand einnehmen, sichergestellt werden, dass ein Leistungsfluss weder in unerwünschter Richtung über die ström limitierende Komponente noch direkt zwischen zwei Zweipolen erfolgt.
Weitere Ansteuerzustände eines unidirektional ausgebildeten ersten und/oder zweiten Schalter können dazu dienen
• eine Durchflussspannung und somit eine Verlustleistung des entsprechenden unidirektionalen Schalters herabzusetzen, wie z. B. bei einem selbstsperrenden MOSFET, bei dem parallel zu einer Bodydiode der Kanal aufgesteuert werden kann
• nach Abschluss der Spannungsangleichung eine direkte Verbindung zwischen den ersten Anschlüssen zweier Zweipole herzustellen
• temporär unerwünschte Leistungsflüsse durch den unidirektionalen Schalter zu unterdrücken, indem z.B. in Reihe zur Diode noch ein elektromechanischer oder ein Halbleiterschalter angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die ström limitierende Komponente als Bauteil einen ohmschen Widerstand RVL, einen Thermistor, beispielsweise einen Heißleiter (NTC) oder einen Kaltleiter (PTC), und/oder einen durch die Steuerungseinheit aktiv steuerbaren Halbleiterschalter TVL umfassen. Es ist auch möglich, dass die ström limitierende Komponente eine Reihenschaltung von zwei unterschiedlichen dieser Bauteile umfasst. In einerweiteren Ausführungsform kann die stromlimitierende Komponente als ein DC/DC-Wandler, insbesondere als ein vom Eingang zum Ausgang hin tiefsetzender DC/DC-Wandler ausgelegt sein. Relativ zu einem ohmschen Widerstand als ström limitierende Komponente ermöglicht dies, den Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente feinabgestimmter zu steuern, wodurch ein größerer Freiheitsgrad bei der Durchführung des Verfahrens zur Spannungsangleichung resultiert.
Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung zusätzlich eine Schalteinheit zum schaltbaren niederohmigen Verbinden von zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse miteinander, sowie eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Schalteinheit umfassen. Die Steuerungseinheit der Schalteinheit kann dieselbe sein, die auch zur Steuerung der ersten und zweiten Schalter verwendet wird. Dabei kann die Steuerungseinheit ausgelegt sein, zwei oder mehrere der ersten Anschlüsse in Abhängigkeit einer zwischen den betreffenden ersten Anschlüssen herrschenden Spannung niederohmig miteinander zu verbinden. Konkret können beispielsweise zwei erste Anschlüsse, mehr als zwei erste Anschlüsse, oder alle ersten Anschlüsse der n Zweipole mittels der Schalteinheit niederohmig miteinander verbunden werden, wenn ein Absolutbetrag einer zwischen den betreffenden ersten Anschlüssen anliegenden Spannung einen Spannungsschwellwert UTH erreicht oder unterschreitet. Hierzu ist es möglich, die Spannung von jedem der ersten Anschlüsse separat zu detektieren. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Vorrichtung einen, insbesondere lediglich einen Spannungssensor zur Detektion einer an der ström limitierenden Komponente anliegenden Spannung U umfasst, also einer Spannung U, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang der stromlimitierenden Komponente anliegt. Dabei ist die Steuerungseinheit ausgelegt, die Schalteinheit in Abhängigkeit der an der stromlimitierenden Komponente anliegenden Spannung U zu betreiben. Auf diese Weise kann eine Anzahl der erforderlichen Spannungssensoren und damit der Kostenaufwand der Vorrichtung weiter reduziert werden.
Die Schalteinheit zum schaltbaren niederohmigen Verbinden von zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse der n Zweipole miteinander kann auch über zwei oder mehrere der durch die Steuerungseinheit ansteuerbaren ersten Schalter oder über zwei oder mehrere der durch die Steuerungseinheit ansteuerbaren zweiten Schalter gebildet werden. Dies kann aus Kostengründen vorteilhaft sein, wenn aktiv steuerbare erste und/oder zweite Schalter ohnehin vorhanden sind und von ihrer Stromtragfähigkeit auch ausreichend dimensioniert sind. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, zusätzliche separate Schalter für die Schalteinheit vorzusehen. Dabei kann die Schalteinheit so ausgebildet sein, dass sie mehrere Schalter umfasst, so dass jeder erste Anschluss mit jedem anderen der verbleibenden ersten Anschlüsse separat niederohmig verbunden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung einen oder mehrere durch die Steuerungseinheit ansteuerbare dritte Schalter aufweisen, wobei jeder der dritten Schalter jeweils zwischen dem ersten Anschluss und dem ihm zugeordneten ersten Schalter und/oder zwischen dem ersten Anschluss und dem ihm zugeordneten zweiten Schalter angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich auf Wunsch einzelne Zweipole von einer Spannungsangleichung entkoppeln, um mit diesen gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt und gegebenenfalls mit anderen an die Vorrichtung angeschlossenen Zweipolen eine Spannungsangleichung durchzuführen. Insbesondere kann damit der Vorgang der Spannungsangleichung weitgehend automatisiert werden, indem alle ersten und zweiten Schalter als Dioden ausgeführt werden, und nur noch diejenigen Zweipole temporär abgetrennt werden, die den gewünschten zeitlichen Ablauf des Verfahrens stören würden. Auf diese Weise wird nur eine minimale Anzahl an ansteuerbaren Schaltern benötigt. So ist es dann nämlich ausreichend, nur die dritten Schalter als aktiv ansteuerbare Schalter auszuführen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens können zwei oder mehr leistungsabgebende Zweipole mit zunächst unterschiedlichen Spannungen an die Vorrichtung angeschlossen sein. Dabei kann zunächst für denjenigen Zweipol die Leistungsabgabe ermöglicht werden, dessen absolute Spannung, also der Betrag der Spannung zwischen seinem ersten Anschluss und dem Bezugspotential GND, maximal ist. Die Leistungsabgaben für die weiteren Zweipole können dann jeweils zeitversetzt, beispielsweise in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ihnen zugeordneten ersten Anschluss und dem Eingang der ström limitierenden Komponente ermöglicht werden. Ein derartiges Verhalten kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die leistungsabgebenden Zweipole jeweils eine anschlussseitig wirksame Kapazität aufweisen, die sich in Abhängigkeit der Leistungsabgabe der Zweipole zumindest teilweise zeitlich entlädt. In einer weiteren Ausführungsform können alternativ oder kumulativ zwei oder mehr leistungsaufnehmende Zweipole mit unterschiedlichen Spannungen an die Vorrichtung angeschlossen sein, wobei zunächst für denjenigen Zweipol die Leistungsaufnahme ermöglicht wird, dessen absolute Spannung, also der Betrag der Spannung zwischen seinem ersten Anschluss und dem Bezugspotential GND, minimal ist. Die Leistungsaufnahmen für die weiteren Zweipole können dann zeitversetzt, beispielsweise in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ihnen zugeordneten ersten Anschluss und dem Ausgang der stromlimitierenden Komponente ermöglicht werden. Dieses Verhalten kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die leistungsaufnehmenden Zweipole jeweils eine anschlussseitig wirksame Kapazität aufweisen, die sich abhängig von der Leistungsaufnahme der Zweipole zumindest teilweise auflädt. Bei der Vorrichtung wie auch dem Verfahren ist es möglich, dass die positiven Pole der Zweipole jeweils mit einem der ersten Anschlüsse und die negativen Pole der Zweipole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse der Vorrichtung verbunden werden oder verbunden sind. In diesem Fall wird das gemeinsame Bezugspotential GND durch die negativen Pole der Zweipole gebildet. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die negativen Pole der Zweipole jeweils mit einem der ersten Anschlüsse und die positiven Pole der Zweipole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse der Vorrichtung verbunden werden oder verbunden sind. In diesem Fall wird das gemeinsame Bezugspotential GND durch die positiven Pole der Zweipole gebildet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die stromlimitierende Komponente als spezieller DC/DC-Wandler wie beispielsweise ein Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Hier kann nämlich ein aktiv steuerbarer Schalter als sogenannter Low- Side Schalter des DC/DC-Wandlers ein ruhendes Emitter-Potential beziehungsweise Source-Potential aufweisen, wodurch - wie auch nochmals in Fig. 3c näher erläutert - eine einfachere Ansteuerung des aktiv steuerbaren Schalters ermöglicht wird.
Eine erfindungsgemäße DC-Energieverteilungsanlage mit spannungsangleichend verbindbaren Zweipolen beinhaltet eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsangleichung von zumindest zwei Zweipolen, sowie die Mehrzahl n (n>2) der zumindest zwei Zweipole, die an die Vorrichtung angeschlossen sind. Die DC- Energieverteilungsanlage ist zur Durchführung des Verfahrens ausgelegt und eingerichtet. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung und dem Verfahren erläuterten Vorteile.
In einer Ausführungsform der DC-Energieverteilungsanlage umfasst zumindest einer der n Zweipole eines oder mehrere der folgenden Elemente:
- einen DC-Anschluss eines eine Zwischenkreis-Kapazität und/oder eine Eingangskapazität aufweisenden Wechselrichters,
- einen Elektrolyseur,
- eine Batterie,
- ein DC-Netz mit einer daran gekoppelten Kapazität,
- einen DC-Ausgang eines an einem AC-Netz angeschlossenen Gleichrichters, und
- ein Ladekabel für ein Elektrofahrzeug.
Eine weitere Ausführungsform der DC-Energieverteilungsanlage kann einen leistungsabgebenden und nicht rückspeisefähigen Zweipol umfassen, der mit einem seiner Pole direkt mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente und mit dem anderen seiner Anschlüsse mit dem Bezugspotential GND verbunden oder schaltbar verbunden ist. Zu diesem Zweck ist er an eines derjenigen Anschlusspaare angeschlossen, deren erster Anschluss direkt mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente verbunden ist. Hingegen ist ein leistungsabgebender aber prinzipiell rückspeisefähiger Zweipol an ein Anschlusspaar angeschlossen, dessen erster Anschluss über einen ersten Schalter mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Rückspeisung elektrischer Leistung in den Zweipol im Bedarfsfall verhindert werden.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen
Fig. 1 eine ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsangleichung, die mit einer Mehrzahl von n Zweipolen verbunden ist;
Fig. 2a eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsangleichung;
Fig. 2b eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsangleichung;
Fig. 3a eine erste Ausführungsform einer ström limitierenden Komponente der Vorrichtung;
Fig. 3b eine zweite Ausführungsform einer stromlimitierenden Komponente der Vorrichtung; und
Fig. 3c eine dritte Ausführungsform einer ström limitierenden Komponente der Vorrichtung;
Fig. 4a eine erste Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters;
Fig. 4b eine zweite Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters; und
Fig. 4c eine dritte Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters; Fiqurenbeschreibunq
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen dargestellt. Zudem ist in Fig. 1 auch eine DC-Energieverteilungsanlage 50 illustriert, die einer Kombination der Vorrichtung 1 und der an die Vorrichtung 1 angeschlossenen Zweipole P1 , P2, P3 entspricht. Exemplarisch und nicht einschränkend ist die Vorrichtung 1 in Fig. 1 für einen Betrieb von drei Zweipolen P1 , P2, P3 ausgelegt, die jeweils an einen ersten Anschluss A1 und einen zweiten Anschluss A2 eines unterschiedlichen der drei Anschlusspaare A angeschlossen sind. Zwei der ersten Anschlüsse A1 , in Figur 1 beispielhaft die Anschlüsse der Zweipole P1 und P2, sind jeweils über einen ersten Schalter S1 und einen gemeinsamen ersten Verbindungspunkt 6.1 mit einem Eingang 10.1 einer stromlimitierenden Komponente 10 verbunden. Weiterhin sind die ersten Anschlüsse A1 von zwei Anschlusspaaren A jeweils über einen zweiten Schalter S2 und einen gemeinsamen zweiten Verbindungspunkt 6.2 mit einem Ausgang 10.2 der stromlimitierenden Komponente 10 verbunden. Die zweiten Anschlüsse A2 der Anschlusspaare A sind niederohmig miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial GND verbunden. Die Verbindung der zweiten Anschlüsse A2 mit dem Bezugspotential GND ist in Fig. 1 jeweils als direkte Verbindung dargestellt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Verbindung für einen oder mehrere der zweiten Anschlüsse A2, optional auch für alle zweiten Anschlüsse A2, schaltbar ausgeführt ist.
In Figur 1 ist einer der Zweipole P1 , P2, P3 (hier: P2) ausgelegt, zu einer Zeit leistungsabgebend und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend zu operieren. Zu diesem Zweck ist der ihm zugeordnete erste Anschluss A1 sowohl über einen der ersten Schalter S1 mit dem Eingang 10.1 als auch über einen der zweiten Schalter S2 mit dem Ausgang 10.2 der ström limitierenden Komponente 10 verbunden. Dabei sind der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 in einem Brückenzweig 5.2 in Reihe geschaltet, wobei ein Zweigabgriff 3.2 des Brückenzweiges 5.2 mit dem dem Zweipol P2 zugeordneten ersten Anschluss A1 verbunden ist.
Die Vorrichtung 1 weist einen Spannungssensor 8 auf, der mit einer Steuerungseinheit 9 der Vorrichtung 1 verbunden ist. Der Spannungssensor 8 ist ausgelegt, eine an der stromlimitierenden Komponente 10 anliegende Spannung U zu detektieren. Die Steuerungseinheit 9 kann - wie in Fig. 1 auch explizit dargestellt - zur Ansteuerung der ström limitierenden Komponente 10 steuerungstechnisch mit dieser verbunden sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die ström limitierende Komponente 10 aktiv ansteuerbare Bauteile, beispielsweise einen aktiv steuerbaren Halbleiterschalter beinhaltet. Alternativ dazu kann die Ansteuerung eines Halbleiterschalters der ström limitierenden Komponente auch autonom und ohne Verbindung zu einem Spannungssensor 8 erfolgen. Dies ist beispielsweise bei einer Stromregelung, insbesondere einer Regelung des Ausgangsstroms der stromlimitierenden Komponente 10 der Fall. Generell sind steuerungstechnische Verbindungen in Fig. 1 , wie auch in den Fig. 2a und 2b jeweils über eine gestrichelte Linie symbolisiert. Die Vorrichtung 1 beinhaltet weiterhin eine Schalteinheit 7, die mehrere Schalter S12, S13, S23 zur niederohmigen Verbindung einzelner erster Anschlüsse A1 miteinander umfasst. Die Steuerungseinheit 9 ist ausgelegt, die Schalteinheit 7, insbesondere deren Schalter S12, S13, S23 in Abhängigkeit der zwischen den ersten Anschlüssen A1 jeweils herrschenden Spannungen und/oder der über der ström limitierenden Komponente 10 abfallenden Spannung U anzusteuern. Die ersten Anschlüsse A1 von einzelnen Zweipolen (in Fig. 1 exemplarisch P1 und P3) sind zusätzlich jeweils über einen aktiv steuerbar ausgebildeten dritten Schalter S3 mit den ihnen zugeordneten ersten Schaltern S1 beziehungsweise zweiten Schalter S2 verbunden. Über den dritten Schalter S3 lässt sich der entsprechende Zweipol P1 , P3 im Bedarfsfall in Bezug auf seine Abgabe oder Aufnahme eines Leistungsflusses bei der Spannungsangleichung entkoppeln, was einer temporären Aktivierung oder Deaktivierung des entsprechenden Zweipols P1 , P3 während der Spannungsangleichung gleichkommt. Der an den ersten Anschluss des ersten Zweipols angeschlossene dritte Schalter ist über eine Diode mit dem ersten Verbindungspunkt 6.1 verbunden, so dass die Kombination aus drittem Schalter und Diode wirkungsgleich zu einem als unidirektionaler Schalter ausgebildeten ersten Schalter ist.
Wie in Fig. 1 dargestellt, können optional die ersten Anschlüsse A1 von zwei Zweipolen (hier: die Zweipole P2 und P3) auch über eine zusätzliche Impedanz in Form eines weiteren Vorladewiderstandes RVL,2 verbunden, insbesondere schaltbar verbunden werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein zur Spannungsangleichung der betreffenden Zweipole P2, P3 benötigter Stromfluss eine Stromtragfähigkeit der stromlimitierenden Komponente 10 übersteigt. Da der weitere Vorladewiderstand RVL,2 eine optionale Komponente ist, ist er in Fig.1 gestrichelt dargestellt. Im Folgenden wird eine mögliche Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb am Beispiel der Vorrichtung 1 erläutert. Hierfür wird exemplarisch angenommen, dass der Zweipol P1 einen DC-Anschluss eines Netzteils kleiner Leistung, also im einfachsten Fall eines Gleichrichters, der Zweipol P2 eine DC-Seite eines bidirektional ausgebildeten AC/DC-Wandlers großer Leistung und der Zweipol P3 einen DC- Eingang eines Elektrolyseurs darstellt. Im Ausgangszustand sind alle dritten Schalter S3 und alle Schalter S12, S13, S23 der Schalteinheit 7 geöffnet. Eine DC-Seite des bidirektionalen AC/DC-Wandlers (i.e. der Zweipol P2) ist spannungsfrei, da der AC/DC-Wandler mit seiner AC-Seite noch nicht mit einem AC-Netz (in Fig. 1 nicht dargestellt) verbunden ist. Der den Elektrolyseur darstellende Zweipol P3 ist ebenfalls spannungsfrei. Im Rahmen einer mehrstufig erfolgenden Spannungsangleichung soll nun zuerst die DC-Seite des bidirektionalen AC/DC-Wandlers (i.e. der Zweipol P2) durch den Zweipol P1 , und danach der DC-Eingang des Elektrolyseurs (i.e. der Zweipol P3) für seinen normalen Betrieb durch den Zweipol P2 aufgeladen werden:
Hierfür wird zunächst der dem ersten Zweipol P1 zugeordnete dritte Schalter S3 geschlossen. Aufgrund der Spannungen U(P1), U(P2) des ersten Zweipols P1 und des zweiten Zweipols P2 werden der dem ersten Zweipol P1 zugeordnete erste Schalter S1 und der dem zweiten Zweipol P2 zugeordnete zweite Schalter S2 in einen leitfähigen Schaltzustand versetzt. Es ergibt sich ein Leistungsfluss P über die stromlimitierende Komponente 10 von dem ersten Anschluss A1 des ersten Zweipols P1 zu dem ersten Anschluss A1 des zweiten Zweipols P2, wodurch dieser aufgeladen wird und wodurch sich dessen Spannung U(P2) der Spannung U(P1 ) des ersten Zweipols P1 angleicht. Danach wird der bidirektionale AC/DC-Wandler großer Leistung mit dem AC-Netz synchronisiert und mit diesem verbunden. Damit ist die erste Stufe der mehrstufig erfolgenden Spannungsangleichung der drei Zweipole P1 , P2, P3 beendet. Für die folgende zweite Stufe der Spannungsangleichung wird der dem Elektrolyseur (Zweipol P3) zugeordnete dritte Schalter S3 geschlossen. Die Spannungen des ersten P1 und des zweiten Zweipols P2 sind nahezu gleich und größer als die Spannung U(P3) des dritten Zweipols P3, d.h. es gilt nun U(P1 )«U(P2) > U(P3). Aufgrund der Spannungsverhältnisse werden nun die ersten Schalter S1 des ersten P1 und des zweiten Zweipols P2, sowie der zweite Schalter S2 des dritten Zweipols P3 in den leitfähigen Schaltzustand versetzt bzw. in dem leitfähigen Schaltzustand gehalten. Es ergibt sich ein Leistungsfluss P über die ström limitierende Komponente 10 von den nun leistungsabgebenden Zweipolen P1 , P2 zu dem nun leistungsaufnehmenden Zweipol P3, wodurch der DC-Eingang des Elektrolyseurs aufgeladen wird und sich dessen Spannung U(P3) den Spannungen U(P1), U(P2) der Zweipole P1 , P2 annähert. Zusätzlich kann ein Leistungsfluss über den optionalen Vorladewiderstand RVL,2 die Spannungsangleichung unterstützen. Erreicht oder Unterschreitet ein Absolutbetrag der Differenz beider Spannungen der Zweipole P2, P3 einen Spannungsschwellwert UTH, gilt also |U(P3) - U(P2)| < UTH, SO können deren erste Anschlüsse A1 durch die Schalteinheit 7, genauer dessen Schalter S23 niederohmig miteinander verbunden werden. Damit ist die zweite Stufe der Spannungsangleichung und damit auch die mehrstufige Spannungsangleichung als solches beendet.
Sowohl die ersten Schalter S1 als auch die zweiten Schalter S2 sind in Figur 1 beispielhaft als Dioden D ausgebildet, deren Schaltzustände sich jeweils in Abhängigkeit der an den entsprechenden ersten Anschlüssen A1 und den zweiten Anschlüssen A2 anliegenden Spannungen, konkret also in Abhängigkeit der an den Zweipolen P1 , P2, P3 anliegenden Spannungen einstellen. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass einer oder auch mehrere der ersten Schalter S1 als aktiv steuerbare Schalter ausgebildet sind.
In Fig. 2a ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, die in vielen Punkten der schon in der Fig. 1 erläuterten ersten Ausführungsform ähnelt. Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zu der Ausführungsform in Figur 1 beschrieben. Zu den übereinstimmenden Merkmalen wird auf die Figurenbeschreibung der Fig. 1 verwiesen.
Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform sind in der Ausführungsform der Fig. 2a sämtliche Zweipole P1 , P2, P3 sowohl für einen leistungsaufnehmenden als auch für einen leistungsabgebenden Betrieb ausgebildet. Dies kann beispielsweise dann vorliegen, wenn jeder der Zweipole P1 , P2, P3 mittels der Vorrichtung 1 über die ström limitierende Komponente 10 nicht nur aufgeladen (also seine Spannung U(P1 ), U(P2), U(P3) vergrößert), sondern auch entladen (d.h. seine Spannung U(P1 ), U(P2), U(P3) verkleinert) werden soll. Daher ist jeder der Zweipole P1 , P2, P3 über einen Zweigabgriff 3.1 , 3.2, 3.3 eines ihm jeweils zugeordneten Brückenzweiges 5.1 , 5.2, 5.3 angeschlossen, und damit sowohl über einen ersten Schalter S1 mit dem Eingang 10.1 , als auch über einen zweiten Schalter S2 mit dem Ausgang 10.2 der ström limitierenden Komponente 10 verbunden. Die Brückenzweige 5.1 , 5.2, 5.3 sind jeweils parallel zu der ström limitierenden Komponente 10 angeordnet und bilden zusammen eine Brücke 5 mit einem ersten Verbindungspunkt 6.1 , über den die ersten Schalter S1 mit dem Eingang 10.1 verbunden sind, und einem zweiten Verbindungspunkt 6.2, über den die zweiten Schalter S2 mit dem Ausgang 10.2 der ström limitierenden Komponente 10 verbunden sind.
In Fig. 2b ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Auch diese ähnelt in vielen Punkten der schon in der Fig. 1 erläuterten ersten Ausführungsform, weswegen im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu der in Figur 1 erläuterten Ausführungsform eingegangen wird.
In den Figuren 1 und 2a sind die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der ersten Anschlüssen A1 und die negativen (-) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der zweiten Anschlüssen A2 der Vorrichtung 1 verbunden. Im Gegensatz dazu sind in der Ausführungsform nach Fig. 2b die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der zweiten Anschlüssen A2 und die negativen (-) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der ersten Anschlüsse A1 der Vorrichtung 1 verbunden. Das Bezugspotential GND wird hier durch die positiven Pole der Zweipole P1 , P2, P3 gebildet. Exemplarisch sind in den Brückenzweigen 5.1 - 5.3 lediglich einzelne der ersten Schalter S1 (hier: die der Brückenzweige 5.1 und 5.2) und der zweiten Schalter S2 als Diode D ausgebildet (hier: die der Brückenzweige 5.1 und 5.3), während die anderen als aktiv steuerbare Schalter ausgebildet sind. Die Durchflussrichtung der als Dioden D ausgebildeten ersten und zweiten Schalter ist entgegengesetzt zu der in Fig. 2a dargestellten Ausführungsform, sodass sich bezüglich der Leistungsflüsse das gleiche vorwärts leitende und rückwärts sperrende Verhalten ergibt. Wie auch in Verbindung mit der Fig. 3c näher beschrieben wird, resultiert aus dieser Art der Verbindung der Zweipole P1 , P2, P3 mit den Anschlusspaaren A eine besonders einfache Realisierung der ström limitierenden Komponente 10. Konkret kann hier eine als spezieller DC/DC-Wandler ausgebildete stromlimitierende Komponente 10, nämlich ein DC/DC-Wandler mit einem Low-Side Schalter, einfacher angesteuert und betrieben werden.
In Fig. 3a ist eine erste Ausführungsform einer stromlimitierenden Komponente 10, wie sie in der Vorrichtung 1 verwendet werden kann, dargestellt. Die Richtung des Strom- 1 und des Leistungsflusses P sind in Fig. 3a (wie auch in den folgenden Figuren 3b, 3c) schematisch mithilfe von Pfeilen symbolisiert. Zum besseren Verständnis sind auch als Dioden D ausgebildete erste S1 und zweite Schalter S2 der Vorrichtung 1 (vgl. beispielsweise Fig. 2a) nochmals dargestellt, um ihre Anschlussweise mit dem Eingang 10.1 und dem Ausgang 10.2 zu verdeutlichen.
Für die folgende Erklärung der Fig. 3a (wie auch der Fig. 3b) wird angenommen, dass jeweils die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 mit einem der ersten Anschlüsse A1 verbunden sind, während deren negative (-) Pole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse A2 - und damit mit dem Bezugspotential GND - verbunden sind. Um in diesem Fall einen unidirektionalen Leistungsfluss P vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 zu erzeugen, sind die Dioden D der ersten Schalter S1 jeweils mit ihrer Kathode mit dem Eingang 10.1 und die Dioden D der zweiten Schalter S2 jeweils mit ihrer Anode mit dem Ausgang 10.2 verbunden. Der Stromfluss I und der Leistungsfluss P durchfließen die ström limitierende Komponente 10 in derselben Richtung. In der ersten Ausführungsform kann die ström limitierende Komponente 10 lediglich ein Bauteil beinhalten. Das Bauteil kann als ohmscher Widerstand RVL ausgebildet sein. Bei dem ohmschen Widerstand RVL kann es sich um einen Thermistor, beispielsweise einen Heißleiter NTC handeln. Alternativ oder kumulativ (d.h. in Reihe zu dem ohmschen Widerstand RVL) kann die ström limitierende Komponente 10 auch einen durch die Steuerungseinheit 9 ansteuerbaren Transistor TVL beinhalten. Der Transistor TVL kann so angesteuert werden, dass er während des Leistungsflusses P in seinem linearen Bereich operiert. Vorteilhafterweise kann er jedoch taktend angesteuert werden.
In Fig. 3b ist eine zweite Ausführungsform der ström limitierenden Komponente 10 dargestellt, die als DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Dabei handelt es sich insbesondere um einen vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 hin tiefsetzenden DC/DC-Wandler. Die zweite Ausführungsform kann in einem Fall verwendet werden, bei dem jeweils die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 mit einem der ersten Anschlüsse A1 verbunden sind, während die negativen (-) Pole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse A2 - und damit mit dem Bezugspotential GND - verbunden sind. Der DC/DC-Wandler beinhaltet eine Reihenschaltung eines Transistors T und einer Induktivität Lw, deren Verbindungspunkt über eine Diode Dw mit dem Bezugspotential GND der Vorrichtung 1 verbunden ist. Obwohl hier exemplarisch lediglich eine bestimmte Topologie eines tiefsetzenden DC/DC-Wandlers dargestellt ist, ist alternativ auch ein Einsatz anderer bekannter Topologien tiefsetzender DC/DC-Wandler möglich. Aufgrund des durch die ersten S1 und zweiten Schalter S2 vorgegebenen lediglich unidirektionalen Leistungsflusses kann der DC/DC-Wandler jedoch in einfacher Bauweise und daher kostengünstig realisiert werden. Konkret ist es auch ausreichend, die stromlimitierende Komponente 10 als einen lediglich in einer Richtung tiefsetzenden, und nicht als einen in beiden Richtungen tiefsetzenden DC/DC-Wandler auszulegen. Durch die Ausbildung der ström limitierenden Komponente als Tiefsetzsteller kann es sein, dass ein durch den Eingang 10.1 fließender Strom und ein durch den Ausgang 10.2 fließender Strom unterschiedliche Stromstärken aufweisen (in Fig. 3b nicht dargestellt). Beide Ströme können aber durch eine geeignete Ansteuerung des Tiefsetzstellers auf eine Weise begrenzt werden, die für die Funktion der ström limitierenden Komponente sinnvoll ist.
In Fig. 3c ist eine dritte Ausführungsform der ström limitierenden Komponente 10 dargestellt, die ebenfalls als ein vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 tiefsetzender DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Dabei kann die dritte Ausführungsform in einem Fall verwendet werden, bei dem jeweils die negativen (-) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 mit einem der ersten Anschlüsse A1 verbunden sind, während die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse A2 - und damit mit dem Bezugspotential GND - verbunden sind. Um in diesem Fall einen Leistungsfluss vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 zu generieren, sind die Dioden D der ersten Schalter S1 jeweils mit ihrer Anode mit dem Eingang 10.1 verbunden. Entsprechend sind die Dioden D der zweiten Schalter S2 jeweils mit ihrer Kathode mit dem Ausgang 10.2 verbunden. Der Stromfluss I ist in diesem Fall entgegengerichtet zum Leistungsfluss P. Beide Potentiale, das des Eingangs 10.1 und auch das des Ausgangs 10.2, sind hier kleiner (i.e. negativer) oder gleich dem Bezugspotential GND, das durch die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 gebildet wird. Allerdings befindet sich der Ausgang 10.2 relativ zum Eingang 10.1 auf positiverem Potential, was den Stromfluss I vom Ausgang 10.2 zum Eingang 10.1 erzeugt, obwohl der Leistungsfluss P weiterhin vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 gerichtet ist.
Ähnlich zu der Ausführungsform der Fig. 3b beinhaltet auch der DC/DC-Wandler der Fig. 3c eine Reihenschaltung aus einem Transistor T und einer Induktivität Lw, deren Verbindungspunkt über eine Diode Dw mit dem Bezugspotential GND verbunden ist. Im Betrieb ist der Transistor Tw ein sogenannter Low-Side Schalter, dessen Emitter- bzw. Source-Anschluss ein ruhendes Potential aufweist. Zur Ansteuerung des Transistors T ist eine Gate-Source Spannung erforderlich. Gegenüber einem ruhenden Emitter- bzw. Source-Potential kann die erforderliche Gate-Source Spannung deutlich einfacher erzeugt werden, als gegenüber einem Emitter- bzw. Source-Potential, welches - wie es beispielsweise bei einem High-Side Schalter der Fall wäre - vom Schaltzustand des Transistors Tw abhängt und daher mit dem Schaltvorgang des Transistors Tw springen würde. Ein Treiber zur Bereitstellung der erforderlichen Gate-Source Spannung kann daher für den in Fig. 3c dargestellten Low- Side Schalter einfacher und kostengünstiger realisiert werden.
In Fig. 4a ist eine erste Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters 60 dargestellt, wie er als erster Schalter S1 und/oder als zweiter Schalter S2 innerhalb der Vorrichtung 1 in den Figuren 1 , 2a und 2b verwendet werden kann. Der unidirektionale Schalter 60 weist eine Serienschaltung aus einer Diode 62 und einem Schalter auf, der in seinem geschlossenen Zustand bidirektional leitend ist, also für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt ist. In Fig. 4a ist der in geschlossenem Zustand bidirektional leitende Schalter exemplarisch als elektromechanischer Schalter 61 dargestellt. Alternativ ist zu dem elektromechanischem Schalter 62 ist aber auch ein anderer im geschlossenen Zustand bidirektional leitender Schalter, beispielsweise ein MOSFET, möglich. Der betreffende Ansteuerungszustand, bei dem sich der unidirektionale Schalter 60 in Fig. 4a wie eine Diode verhält, entspricht dem geschlossenen Zustand des elektromechanischen Schalters 61 (oder alternativ des MOSFET). Ein weiterer Ansteuerungszustand des unidirektionalen Schalter 60 ergibt sich bei geöffnetem elektromechanischem Schalter 61. In diesem Fall ist der Leistungsfluss in beide Richtungen unterdrückt. Dies kann beispielsweise für eine temporäre Unterdrückung eines zwar prinzipiell vorgesehenen, aber nicht dauerhaft gewünschten Leistungsflusses verwendet werden.
Fig. 4b zeigt eine zweite Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters 60, der einer Parallelschaltung einer Diode 64 und eines im geschlossenen Zustand bidirektional leitenden Schalters, der hier exemplarisch als ein elektromechanischer Schalter 63 dargestellt ist, entspricht. Der Ansteuerungszustand des unidirektionalen Schalters 60, bei dem sich der unidirektionale Schalter 60 in Fig. 4b wie eine Diode verhält, also einen Leistungsfluss in einer Richtung ermöglicht und in die andere Richtung sperrt, entspricht in Fig. 4b dem geöffneten Zustand des elektromechanischen Schalters 63. Ein weiterer Ansteuerungszustand des unidirektionalen Schalters 60 gemäß Fig. 4b ergibt sich bei geschlossenem elektromechanischem Schalter 63. Der weitere Ansteuerungszustand kann genutzt werden, um eine Durchlassspannung des unidirektionalen Schalters, und damit eine durch den Leistungsfluss verursachte Verlustleistung der Diode 64, herabzusetzen. Er kann auch genutzt werden, um temporär über den unidirektionalen Schalter 60 einen bidirektionalen Leistungsfluss zu ermöglichen. Auch hier ist anstatt des exemplarisch dargestellten elektromechanischen Schalters 63 auch ein Einsatz eines im geschlossenen Zustand bidirektional leitenden Halbleiterschalters möglich. Wenn hierfür ein MOSFET verwendet wird, so beinhaltet dieser im allgemeinen bereits eine Bodydiode, so dass eine separate Diode 64 entfallen kann. Mit anderen Worten kann der unidirektionale Schalter 60 gemäß Fig. 4b als ein MOSFET ausgebildet sein.
Fig. 4c zeigt eine dritte Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters 60, bei der der unidirektionale Schalter 60 als ein Thyristor 65 ausgebildet ist. Der Ansteuerungszustand, bei dem sich der unidirektionale Schalter 60 in Fig. 4c wie eine Diode verhält, also einen Leistungsfluss in einer Richtung ermöglicht und in die andere Richtung sperrt, ergibt sich nach erfolgtem Zündimpuls an dem Thyristor. Der Ansteuerungszustand wird durch eine Strom löschung, also ein Abklingen des durch den unidirektionalen Schalter 60 fließenden Stroms I beendet. Nach der Stromlöschung und bei Abwesenheit eines Zündimpulses nimmt der durch den Thyristor 65 gebildete unidirektionale Schalter 60 einen weiteren Ansteuerungszustand ein, der durch eine bidirektional wirkende Unterdrückung eines Leistungsfluss gekennzeichnet ist. Dies kann für eine temporäre Unterdrückung eines zwar prinzipiell vorgesehenen, aber nicht dauerhaft gewünschten, Leistungsflusses verwendet werden.
Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung
3.1 - 3.3 Zweigabgriff
5.1 - 5.3 Brückenzweig
6.1 , 6.2 Verbindungspunkt
7 Schalteinheit
8 Spannungssensor
9 Steuerungseinheit
10 Stromlimitierende Komponente
10.1 Eingang
10.2 Ausgang
50 DC-Energieverteilungsanlage
60 unidirektionaler Schalter
61 , 63 elektromechanischer Schalter
62, 64 Diode
65 Thyristor
A Anschlusspaar
A1 , A2 Anschluss
P1 , P2, P3 Zwei pol
S1 erster Schalter
S2 zweiter Schalter
S3 dritter Schalter
S12, S13, S23 Schalter
D Diode

Claims

Patentansprüche Vorrichtung (1 ) zur Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen (P1 , P2, P3) umfassend:
- eine ström limitierende Komponente (10) mit einem Eingang (10.1 ) und einem Ausgang (10.2),
- n Anschlusspaare (A) mit jeweils einem ersten Anschluss (A1 ) und einem zweiten Anschluss (A2) zum Anschluss der n Zweipole (P1 , P2, P3), wobei zwei oder mehr der ersten Anschlüsse (A1 ) jeweils über einen ersten Schalter (S1 ) oder direkt mit dem Eingang (10.1 ) der stromlimitierenden Komponente (10) verbunden sind und weiterhin zwei oder mehr der ersten Anschlüsse (A1 ) jeweils über einen zweiten Schalter (S2) mit dem Ausgang (10.2) der ström limitierenden Komponente (10) verbunden sind, und wobei die zweiten Anschlüsse (A2) mit einem gemeinsamen Bezugspotential GND verbunden oder schaltbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) ausgelegt ist, Schaltzustände der ersten Schalter (S1 ) und der zweiten Schalter (S2) mittels einer Steuerungseinheit (9) und/oder mittels an den ersten Anschlüssen (A1 ) anliegenden Spannungen derart einzustellen, dass eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente (10) von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse (A1 ) über einen oder mehrere der ersten Schalter (S1 ) oder die direkte Verbindung erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der zweiten Schalter (S2), und eine Leistungsabgabe der ström limitierenden Komponente (10) an einen oder mehrere der ersten Anschlüsse (A1 ) über einen oder mehrere der zweiten Schalter (S2) erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der ersten Schalter (S1 ), so dass ein unidirektionaler Leistungsfluss über die stromlimitierende Komponente vom Eingang (10.1 ) zum Ausgang (10.2) ermöglicht und ein rückläufiger Leistungsfluss vom Ausgang (10.2) zum Eingang (10.1 ) unterdrückt wird. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) zu einer Spannungsangleichung von drei oder mehr (n>3) Zweipolen (P1 , P2, P3) ausgelegt ist und hierzu drei oder mehr Anschlusspaare (A) aufweist, wobei optional zumindest temporär mindestens drei der ersten Anschlüsse (A1 ) gleichzeitig an einem Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente (10) beteiligt sind. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der ersten Anschlüsse (A1 ) jeweils sowohl über einen ersten Schalter (S1 ) schaltbar mit dem Eingang (10.1 ), als auch über einen zweiten Schalter (S2) schaltbar mit dem Ausgang (10.2) der ström limitierenden Komponente (10) verbunden ist/sind, wodurch ein oder mehrere den ersten Anschlüssen (A1 ) jeweils zugeordnete Brückenzweige (5.1 , 5.2, 5.3) gebildet werden, die jeweils eine Reihenschaltung des jeweiligen ersten Schalters (S1 ) und des jeweiligen zweiten Schalters (S2) aufweisen, und deren Zweigabgriffe (3.1 , 3.2, 3.3) mit den ihnen zugeordneten ersten Anschlüssen (A1 ) verbunden sind. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der ersten Schalter (S1 ) und/oder zumindest einer der zweiten Schalter (S2) einen unidirektionalen Schalter (60) umfasst. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der ersten Schalter (S1 ) und/oder zumindest einer der zweiten Schalter (S2) eine Diode (D) aufweist oder als eine Diode (D) ausgebildet ist. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) eine Steuerungseinheit (9) umfasst, und dass zumindest einer der ersten Schalter (S1 ) und/oder einer der zweiten Schalter (S2) einen durch die Steuerungseinheit (9) ansteuerbaren Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter oder einen elektromechanischen Schalter umfasst. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die stromlimitierende Komponente (10) als Bauteil einen ohmschen Widerstand RVL, einen Thermistor, oder einen aktiv steuerbaren Halbleiterschalter TVL aufweist, oder wobei die ström limitierende Komponente (10) eine Reihenschaltung von zwei unterschiedlichen der Bauteile umfasst. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stromlimitierende Komponente (10) als ein DC/DC-Wandler, insbesondere als ein vom Eingang (10.1 ) zum Ausgang (10.2) tiefsetzender DC/DC-Wandler ausgelegt ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend eine Schalteinheit (7) zum schaltbaren niederohmigen Verbinden von zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse (A1 ) miteinander, und eine Steuerungseinheit (9) zur Steuerung der Schalteinheit (7), wobei die Steuerungseinheit (9) ausgelegt ist, zwei oder mehrere der ersten Anschlüsse (A1 ) in Abhängigkeit einer zwischen den betreffenden ersten Anschlüssen (A1 ) herrschenden Spannung niederohmig miteinander zu verbinden. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (7) zum schaltbaren niederohmigen Verbinden von zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse (A1 ) der n Zweipole (P1 , P2, P3) miteinander über zwei oder mehrere der durch die Steuerungseinheit (9) ansteuerbaren ersten Schalter (S1 ) oder über zwei oder mehrere der durch die Steuerungseinheit (9) ansteuerbaren zweiten Schalter (S2) gebildet wird. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend einen Spannungssensor (8) zur Detektion einer an der ström limitierenden Komponente (10) anliegenden Spannung U, wobei die Steuerungseinheit (9) ausgelegt ist, die Schalteinheit (7) in Abhängigkeit der an der stromlimitierenden Komponente (10) anliegenden Spannung U zu betreiben. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen oder mehrere durch die Steuerungseinheit (9) ansteuerbare dritte Schalter (S3), wobei jeder der dritten Schalter (S3) jeweils zwischen dem ersten Anschluss (A1 ) und dem ihm zugeordneten ersten Schalter (S1 ) und/oder zwischen dem ersten Anschluss (A1 ) und dem ihm zugeordneten zweiten Schalter (S2) angeordnet ist. Verfahren zur Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen (P1 , P2, P3) mit einer Vorrichtung (1 ) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und den Schritten:
- Verbinden der n Zweipole (P1 , P2, P3) mit jeweils einem der Anschlusspaare (A) der Vorrichtung (1 ), sofern diese noch nicht verbunden sind, so dass zwei oder mehr der n Zweipole (P1 , P2, P3) jeweils einpolig über einen ersten Schalter (S1 ) schaltbar oder direkt mit einem Eingang (10.1 ) der ström limitierenden Komponente (10) und zwei oder mehr der n Zweipole (P1 , P2, P3) jeweils einpolig über einen zweiten Schalter (S2) schaltbar mit einem Ausgang (10.2) der ström limitierenden Komponente (10) verbunden sind,
Herbeiführen der Spannungsangleichung über ein Einstellen von Schaltzuständen der ersten Schalter (S1 ) und der zweiten Schalter (S2) mittels der Steuereinheit (9) und/oder mittels an den ersten Anschlüssen (A1 ) anliegender Spannungen derart, dass eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente (10) von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse (A1 ) über einen oder mehrere der ersten Schalter (S1 ) oder die direkte Verbindung erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der zweiten Schalter (S2), und eine Leistungsabgabe der ström limitierenden Komponente (10) an einen oder mehrere der ersten Anschlüsse (A1 ) über einen oder mehrere der zweiten Schalter (S2) erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der ersten Schalter (S1 ), so dass ein unidirektionaler Leistungsfluss über die stromlimitierende Komponente (10) vom Eingang (10.1 ) zum Ausgang (10.2) ermöglicht und ein rückläufiger Leistungsfluss vom Ausgang (10.2) zum Eingang (10.1 ) unterdrückt wird. Verfahren nach Anspruch 13, wobei zwei erste Anschlüsse (A1 ), mehr als zwei erste Anschlüsse (A1 ) oder alle ersten Anschlüsse (A1 ) der n Zweipole mittels einer Schalteinheit (7) niederohmig miteinander verbunden werden, wenn ein Absolutbetrag einer zwischen den betreffenden ersten Anschlüssen (A1 ) anliegenden Spannung einen Spannungsschwellwert UTH erreicht oder unterschreitet. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei zwei oder mehr leistungsabgebende Zweipole (P1 , P2, P3) mit unterschiedlichen Spannungen an die Vorrichtung (1 ) angeschlossen sind, wobei zunächst für denjenigen Zweipol die Leistungsabgabe ermöglicht wird, dessen absolute Spannung maximal ist, und wobei die Leistungsabgaben für die weiteren Zweipole zeitversetzt, insbesondere in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ihnen zugeordneten ersten Anschluss (A1 ) und dem Eingang (10.1 ) der ström limitierenden Komponente (10) ermöglicht werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei zwei oder mehr leistungsaufnehmende Zweipole (R1 , P2, P3) mit unterschiedlichen Spannungen an die Vorrichtung (1 ) angeschlossen sind, wobei zunächst für denjenigen Zweipol die Leistungsaufnahme ermöglicht wird, dessen absolute Spannung minimal ist, und wobei die Leistungsaufnahmen für die weiteren Zweipole (P1 , P2, P3) zeitversetzt, insbesondere in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ihnen zugeordneten ersten Anschluss (A1 ) und dem Ausgang (10.2) der ström limitierenden Komponente (10) ermöglicht werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die positiven Pole der Zweipole (P1 , P2, P3) jeweils mit einem der ersten Anschlüsse (A1 ) und die negativen Pole der Zweipole (P1 , P2, P3) jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse (A2) der Vorrichtung (1 ) verbunden werden oder verbunden sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die negativen Pole der Zweipole (P1 , P2, P3) jeweils mit einem der ersten Anschlüsse (A1 ) und die positiven Pole der Zweipole (P1 , P2, P3) jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse (A2) der Vorrichtung (1 ) verbunden werden oder verbunden sind. DC-Energieverteilungsanlage (50) mit spannungsangleichend verbindbaren Zweipolen (P1 , P2, P3) umfassend eine Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und eine Mehrzahl n (n>2) von zumindest zwei Zweipolen (P1 , P2, P3). DC-Energieverteilungsanlage (50) nach Anspruch 19, wobei zumindest einer der n Zweipole (P1 , P2, P3) eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst:
- einen DC-Anschluss eines eine Zwischenkreis-Kapazität und/oder eine Eingangskapazität aufweisenden Wechselrichters,
- einen Elektrolyseur, insbesondere dessen DC-Eingang
- eine Batterie
- ein DC-Netz mit einer daran gekoppelten Kapazität
- einen DC-Ausgang eines an einem AC-Netz angeschlossenen Gleichrichters, und
- ein Ladekabel für ein Elektrofahrzeug. DC-Energieverteilungsanlage (50) nach einem der Ansprüche 19 und 20, zusätzlich umfassend einen leistungsabgebenden und nicht rückspeisefähigen Zweipol (P1 , P2, P3), der mit einem seiner Pole direkt mit dem Eingang (10.1 ) der stromlimitierenden Komponente (10) und mit dem anderen seiner Pole mit dem Bezugspotential GND verbunden oder schaltbar verbunden ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8963457B2 (en) 2011-09-21 2015-02-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electric storage system and control method of electric storage system
DE102011083741A1 (de) * 2011-09-29 2013-04-04 Siemens Ag Schaltungsanordnung
DE102011088457A1 (de) * 2011-12-13 2013-06-13 Robert Bosch Gmbh Schaltungsanordnung
US9711962B2 (en) * 2012-07-09 2017-07-18 Davide Andrea System and method for isolated DC to DC converter
DE102019127198B4 (de) * 2019-10-09 2023-01-19 Sma Solar Technology Ag Verfahren zum betrieb einer energieerzeugungsanlage und energieerzeugungsanlage mit dem verfahren
JP7154439B2 (ja) * 2019-10-31 2022-10-17 三菱電機株式会社 直流給電対応空気調和機の突入電流抑制回路
DE102020112880A1 (de) * 2020-05-12 2021-11-18 Sma Solar Technology Ag Verfahren zum betrieb eines elektrolyseurs, verbindungsschaltung, gleichrichter und elektrolyseanlage zur durchführung des verfahrens

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