WO2014095319A2 - Vorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers aus einer dreiphasigen wechselspannungsquelle - Google Patents

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

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Definitions

  • the invention relates to a device for charging an electrical energy storage device from a three-phase AC voltage source.
  • the invention further relates to a method for charging an electrical energy store from a three-phase AC voltage source.
  • a known device for charging a battery in a three-phase manner comprises an active B6 bridge connected to the three-phase AC voltage source for realizing a power factor correction device and a step-down converter connected thereto. To the buck converter, another B6 bridge is turned on.
  • the AC-DC power supply described therein comprises a semiconductor switch which has a lower breakdown voltage on a low-voltage side of the flyback converter than a semiconductor switch on a high-voltage side.
  • the lower breakdown voltage can be achieved by means of a shunt regulator, which regulates a clamping voltage on the low-voltage switch side.
  • the invention provides a device for charging an electrical energy store from a three-phase AC voltage source, comprising:
  • a step-down converter device electrically connected to an intermediate circuit capacitor of the converter device, wherein a switch of the step-down converter device is switched in a clocked manner during a charging operation of the device and is opened in a regular mode of the converter device;
  • the invention provides a method for charging an electrical energy store from a three-phase AC voltage source, comprising the following steps:
  • a preferred embodiment of the device is characterized in that the phase currents of the AC voltage source in the charging operation of the converter device are designed such that no torque is applied to a motor connected to the converter device. This offers the advantage that, by utilizing mathematical methods in the form of a Clarke transformation, currents for the connected electric motor can be set favorably in the charging mode.
  • Another preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the switch of the buck converter device is a unidirectionally conducting semiconductor switch, which allows a current to pass only in the direction of the energy store. This advantageously supports an efficient charging operation for the battery.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the switch of the buck converter device is clocked pulse width modulated in the charging operation of the converter.
  • a charging current can be adjusted by means of a proven clock method in this way.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the switch bridging the step-down device is a contactor or a semiconductor switch. This advantageously provides a choice for the said switch.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the intermediate circuit capacitor of the converter device is designed as a buffer for the power controller device. This advantageously results in a saving of a capacitor, because the capacitor of the converter device is improved and utilized for the charging operation.
  • An advantageous development of the method according to the invention is characterized in that a clock ratio of the switch of Tiefsetzsteller issued is formed according to a requirement of a state of charge of the electrical energy storage.
  • a charging current for the electrical energy storage can be dimensioned as required.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the switch of Tiefsetzsteller issued is actuated only in a charging operation of the electrical energy storage, wherein in a regular operation of the converter means, the switch is opened and wherein the Tiefsetzsteller issued is bridged by means of a switch.
  • an existing converter device is very well utilized by being used both for a regular driving operation as well as for the charging operation of the battery.
  • an additional DC link capacitor can be saved by using the converter-internal capacitor. In this way, the converter device realizes, together with coupling inductances, a correction functionality in the sense of a
  • Harmonic factor improvement which is required for compliance with EN network standards.
  • an efficient and cost-effective three-phase charging of an electrical energy store can advantageously be effected by means of the converter device and the downstream step-down converter device.
  • Fig. 1 shows an exemplary device for three-phase charging an electrical
  • Fig. 3 is a schematic representation of a flow chart of an embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows an exemplary apparatus for three-phase charging of an electric energy storage B (e.g., a rechargeable battery) in a wide voltage input range.
  • a three-phase input AC voltage U1, U2, U3 (for example, three-phase current) is boosted by means of an active bridge switching device 21 in the form of a B6 bridge circuit or raised to a higher DC link voltage level.
  • the inductors L1, L2 and L3 are decoupling inductances in order to control the phase currents in the phase voltages of the AC voltage source U1, U2, U3.
  • a bridge switching device 21 each with two series-connected semiconductor switches realizes a required PFC functionality (English Power Factor Correction) for compliance with predetermined limits with respect to harmonics.
  • a downstream DC link capacitor C2 smoothes existingdersripples.
  • a downstream step-down converter with a longitudinal switch S2 is used as a current controller for charging the electrical energy store B.
  • the voltage level of the intermediate circuit voltage is reduced in accordance with charging requirements of the electrical energy store B.
  • the electrical coupling of the charging circuit to the electrical energy storage B by means of a converter device 20, which is also designed as an active B6 bridge circuit.
  • the charging current flows through freewheeling diodes (not shown) of the high-side switches S1, S3, S5 of the converter device 20th
  • FIG. 2 shows a block diagram of a first embodiment of the device 100 according to the invention.
  • a coupling inductance L1, L2, L3 is electrically connected to a connection point of two switches S1... S6 of the three half bridges H1, H2, H3 of the converter device 20.
  • An electric motor M is connected to connection points in each case two switches S1 ... S6 of the half-bridges H1, H2, H3 of the converter device 20, wherein the electric motor M is fed in a regular driving operation via the converter device 20 with electrical energy from the electrical energy storage B.
  • a buck converter or current controller device TS is electrically connected to a DC link capacitor C1 of the converter device 20, wherein the buck converter device TS has a longitudinal switch STS, a low-pass inductance L4 and a freewheeling diode FLD.
  • the DC link capacitor C1 is preferably designed or dimensioned as an electrical charge buffer for the step-down converter device TS.
  • a charging operation of the converter device 20 values and temporal characteristics of the three phase voltages, the phase currents and a charging current (battery charging current) determined by current and voltage sensors (not shown) are supplied to the electronic control device 10 through the inductance L4.
  • the switches S1... S6 of the converter device 20 are switched by means of the control device 10 such that the three phase currents with the respective phase voltages U1, U2, U3 are substantially sinusoidal in phase.
  • all six switches S1 ... S6 the Inverter device 20 symmetrically and evenly loaded by the described operation.
  • the converter device 20 functionally implements a boost converter topology which implements a boosting of a voltage level of the input AC voltage via a voltage level of the electrical energy store B.
  • the converter device 20 together with the inductors L1... L3 according to the invention assumes a functionality of a correction device according to the principles of a harmonic factor improvement (power factor correction).
  • this means providing an ohmic behavior in the three phases U1, U2, U3 of the three-phase AC voltage source, which advantageously brings about a low emission of harmonics into the three-phase AC voltage network. In this way, a current waveform synchronous with each mains voltage is thus provided.
  • a summative charging current for the electrical energy store B which preferably does not exceed a defined maximum value, is also generated during the charging operation.
  • This is achieved by a clocked actuation of the switch STS (for example a pulse-width-modulated clocking) of the step-down converter device TS, current flows being interrupted periodically via the inductance L4 by the clocked switching of the unidirectionally conducting switch STS. Therefore, a freewheeling diode FLD is provided, which enables current flows via the inductance L4 into the electrical energy store B at defined time intervals.
  • the switch SF bridging the step-down converter device TS is closed and the three-phase alternating voltage source U1, U2, U3 is disconnected from the converter device 20.
  • the switch SF can be designed either as an electromechanical contactor or as a semicon terschalter.
  • the electric motor M is driven according to the intended driving operation.
  • the switch SF is opened and the switch STS is clocked to generate the charging current for the electrical energy storage B.
  • the converter device 20 is connected directly to the three-phase AC voltage source U1, U2, U3 and is driven according to a realization of a PFC functionality.
  • the electric motor M is in the loading mode so quiet.
  • the inverter 20 When the charging is completed, the inverter 20 is disconnected from the three-phase AC power source U1, U2, U3, the switch STS is permanently opened, and the switch SF is closed. As a result, a simple switching between a driving operation and a charging operation of the inverter device 20 can be performed as a result.
  • FIG. 3 shows a basic flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • a charging current for the electrical energy store B is generated by means of clocked actuation of a step-down converter device TS which is electrically connected to a capacitor C1 of the converter device 20.

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Abstract

Vorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (B) aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle (U1, U2, U3), aufweisend: - eine mit der Wechselspannungsquelle (U1, U2, U3) elektrisch verschaltete Umrichtereinrichtung (20) mit drei Halbbrücken (H1, H2, H2) mit jeweils zwei seriell geschalteten Schaltern (S1, S2; S3, S4; S5, S6), wobei jeweils eine Induktivität (L1, L2, L3) zwischen einem Verbindungspunkt zweier Schalter (S1...S6) einer der Halbbrücken (H1, H2, H3) und jeweils einer Phase der Wechselspannungsquelle (U1, U2, U3) elektrisch verschaltet ist; und - eine mit einem Zwischenkreiskondensator (C1 ) der Umrichtereinrichtung (20) elektrisch verschaltete Tiefsetzstellereinrichtung (TS), wobei ein Schalter (STS) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS) in einem Ladebetrieb der Vorrichtung (100) getaktet geschaltet wird und in einem Regulärbetrieb der Umrichtereinrichtung (20) geöffnet ist; und - einen Schalter (SF), mittels dessen die Tiefsetzstellereinrichtung (TS) im Regulärbetrieb der Umrichtereinrichtung (20) überbrückbar ist; - wobei mittels einer Steuerungseinrichtung (10) in Abhängigkeit von den Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle (U1, U2, U3) und Strömen durch die Induktivitäten (L1, L2, L3) der Schalter (STS) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS) und die Schalter (S1...S6) der Halbbrücken (H1, H2, H3) der Umrichtereinrichtung (20) derart schaltbar sind, dass ein der Wechselspannungsquelle (U1, U2, U3) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (B) entnommener Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher (B) derart ausgebildet ist, dass jeder Phasenstrom der Wechselspannungsquelle (U1, U2, U3) im Wesentlichen sinusförmig ist, wobei die Phasenströme mit den entsprechenden Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle (U1, U2, U3) im Wesentlichen in Phase sind.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle.
Stand der Technik
Eine bekannte Vorrichtung zum dreiphasigen Laden einer Batterie umfasst eine an die dreiphasige Wechselspannungsquelle angeschaltete aktiven B6-Brücke zum Realisieren einer Blindstromkompensations- bzw. Leistungsfaktorkorrektureinrichtung (engl. Power Factor Correction) und einen daran angeschalteten Tiefsetzsteller. An den Tiefsetzsteller ist eine weitere B6-Brücke angeschaltet.
DE 195 235 76 A1 beschreibt ein Wechselspannungs-Gleichspannungsnetzteil und ein Verfahren zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung in Hochspannungssystemen. Das dort beschriebene Wechselspannungs-Gleichspannungs- netzteil umfasst einen Halbleiterschalter, welcher auf einer Niedrigspannungsseite des Rücklaufwandlers eine niedrigere Durchbruchspannung aufweist als ein Halbleiterschalter auf einer Hochspannungsseite. Die niedrigere Durchbruchspannung ist mittels eines Ne- benschlussreglers erzielbar, welcher eine Klemmspannung auf der Niedrigspannungs- schalterseite reguliert.
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle, aufweisend:
- eine mit der Wechselspannungsquelle elektrisch verschaltete Umrichtereinrichtung mit drei Halbbrücken mit jeweils zwei seriell geschalteten Schaltern, wobei jeweils eine Induktivität zwischen einem Verbindungspunkt zweier Schalter einer der Halbbrücken und jeweils einer Phase der Wechselspannungsquelle elektrisch verschaltet ist; und
- eine mit einem Zwischenkreiskondensator der Umrichtereinrichtung elektrisch verschaltete Tiefsetzstellereinrichtung, wobei ein Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung in einem Ladebetrieb der Vorrichtung getaktet geschaltet wird und in einem Regulärbetrieb der Umrichtereinrichtung geöffnet ist; und
- einen Schalter, mittels dessen die Tiefsetzstellereinrichtung im Regulärbetrieb der Umrichtereinrichtung überbrückbar ist;
- wobei mittels einer Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von den Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle und Strömen durch die Induktivitäten der Schalter der
Tiefsetzstellereinrichtung und die Schalter der Halbbrücken der Umrichtereinrichtung derart schaltbar sind, dass ein der Wechselspannungsquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers entnommener Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher derart ausgebildet ist, dass jeder Phasenstrom der Wechselspannungsquelle im Wesentlichen sinusförmig ist, wobei die Phasenströme mit den entsprechenden Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle im Wesentlichen in Phase sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle bereitge- stellt, welches folgende Schritte aufweist:
- Bedarfsweises Hochsetzen von allen Spannungsphasen der Wechselspannungsquelle mittels einer Umrichtereinrichtung derart, dass ein elektrisches Spannungsniveau eines Zwischenkreises der Umrichtereinrichtung höher ist als ein elektrisches Spannungsniveau des elektrischen Energiespeichers, wobei Schalter der Umrichtereinrichtung derart betä- tigt werden, dass die Phasenströme der Wechselspannungsquelle im Wesentlichen sinusförmig sind, und wobei die Phasenströme der Wechselspannungsquelle mit den Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle im Wesentlichen in Phase sind; und
- Generieren eines Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher mittels getakteten Betätigens einer mit einem Kondensator der Umrichtereinrichtung elektrisch verschalteten Tiefsetzstellereinrichtung. Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme der Wechselspannungsquelle im Ladebetrieb der Umrichtereinrichtung derart ausgebildet sind, dass auf einen mit der Umrichtereinrichtung verschalteten Motor kein Drehmoment ausgeübt wird. Dies bietet den Vorteil, dass unter Ausnützung von mathematischen Methoden in Form einer Clarke-Transformation Ströme für den angeschlossenen Elektromotor im Ladebetrieb günstig eingestellt werden können.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung ein unidirektional leitender Halbleiterschalter ist, der einen Strom nur in Richtung auf den Energiespeicher zu durchlässt. Vorteilhaft ist damit ein effizienter Ladebetrieb für die Batterie unterstützt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung im Ladebetrieb der Umrichtereinrichtung pulsweitenmoduliert getaktet wird. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein Ladestrom mittels eines bewährten Taktverfahrens eingestellt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der die Tiefsetzstelleinrichtung überbrückende Schalter ein Schütz oder ein Halbleiterschalter ist. Dadurch ist vorteilhaft eine Auswahlmöglichkeit für den genannten Schalter bereitgestellt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Zwischenkreiskondensator der Umrichtereinrichtung als ein Zwischenspeicher für die Stromstellereinrichtung ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine Einsparung eines Kondensators, weil der Kondensator der Umrichter- einrichtung verbessert auch für den Ladebetrieb ausgenützt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass ein Taktverhältnis des Schalters der Tiefsetzstellereinrichtung nach einem Erfordernis eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers ausgebildet ist. Vorteil- haft lässt sich auf diese Weise ein Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher je nach Erfordernis dimensionieren. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung nur in einem Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers betätigt wird, wobei in einem regulären Betrieb der Umrichtereinrichtung der Schalter geöffnet ist und wobei die Tiefsetzstellereinrichtung mittels eines Schalters überbrückt wird. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine Abtrennung der Tiefsetzstellereinrichtung im Regulärbetrieb, wobei der Umrichtereinrichtung die Tiefsetzstellereinrichtung überbrückt wird.
Vorteile der Erfindung
Als besonders vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass eine bereits vorhandene Umrichtereinrichtung sehr gut ausgenutzt wird, indem sie sowohl zu einem regulären Fahrbetrieb als auch für den Ladebetrieb der Batterie eingesetzt wird. Zudem kann durch die Verwendung des umrichterinternen Kondensators ein zusätzlicher Zwischenkreiskon- densator eingespart werden. Auf diese Weise realisiert die Umrichtereinrichtung zusammen mit Kopplungsinduktivitäten eine Korrekturfunktionalität im Sinne einer
Oberwellenfaktorverbesserung, welche für die Einhaltung von EN-Netznormen vorgeschrieben ist. Im Ergebnis kann dadurch vorteilhaft mittels der Umrichtereinrichtung und der nachgeschalteten Tiefsetzstellereinrichtung ein effizientes und kostengünstiges dreiphasiges Laden eines elektrischen Energiespeichers bewirkt werden.
Als vorteilhaft wird ferner angesehen, dass durch die Verwendung der Umrichter- einrichtung als Hochsetzsteller und der nachgeschalteten Tiefsetzstellereinrichtung das erfindungsgemäße Prinzip in einem weiten Eingangs- und Batteriespannungsbereich einsetzbar ist. Auf diese Weise wird ein Ladekonzept realisiert, welches weltweit einsetzbar ist. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise als detailgetreue Schaltbilder zu verstehen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Vorrichtung zum dreiphasigen Laden eines elektrischen
Energiespeichers;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zum dreiphasigen Laden eines elektrischen Energiespeichers B (z.B. einer wiederaufladbaren Batterie bzw. eines Akkumulators) in einem weiten Spannungseingangsbereich. Eine dreiphasige Eingangswechselspannung U1 , U2, U3 (z.B. Drehstrom) wird mittels einer aktiven Brückenschalteinrichtung 21 in Form einer B6-Brückenschaltung hochgesetzt bzw. auf ein höheres Zwischenkreis- Spannungsniveau angehoben. Die Induktivitäten L1 , L2 und L3 sind Entkopplungsinduktivitäten, um die Phasenströme in den Phasenspannungen der Wechselspannungs- quelle U1 , U2, U3 zu steuern.
Eine Brückenschalteinrichtung 21 mit jeweils zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern realisiert eine erforderliche PFC-Funktionalität (engl. Power Factor Correction) zur Einhaltung von vorgegebenen Grenzwerten hinsichtlich Oberwellen. Ein nachgeschalteter Zwischenkreiskondensator C2 glättet vorhandene Spannungsripples.
Ein nachgeschalteter Tiefsetzsteller mit einem Längsschalter S2 wird als ein Stromsteller für das Laden des elektrischen Energiespeichers B benutzt. Mittels des Tiefsetzstellers wird das Spannungsniveau der Zwischenkreisspannung entsprechend Ladeanforderun- gen des elektrischen Energiespeichers B verringert. Die elektrische Ankopplung der Ladeschaltung an den elektrischen Energiespeicher B erfolgt mittels einer Umrichtereinrichtung 20, die ebenfalls als eine aktive B6- Brückenschaltung ausgebildet ist. Dabei fließt der Ladestrom über Freilaufdioden (nicht dargestellt) der High-Side-Schalter S1 , S3, S5 der Umrichtereinrichtung 20.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, die Umrichtereinrichtung 20 zum dreiphasigen Laden des elektrischen Energiespeichers B verbessert auszunutzen.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100.
Zwischen jeweils eine der drei Phasenspannungen U1 , U2, U3 ist jeweils eine Kopplungsinduktivität L1 , L2, L3 an einen Verbindungspunkt zweier Schalter S1 ...S6 der drei Halbbrücken H1 , H2, H3 der Umrichtereinrichtung 20 elektrisch verschaltet.
Ein Elektromotor M ist an Verbindungspunkte jeweils zweier Schalter S1 ...S6 der Halbbrücken H1 , H2, H3 der Umrichtereinrichtung 20 angeschaltet, wobei der Elektromotor M in einem regulären Fahrbetrieb über die Umrichtereinrichtung 20 mit elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher B gespeist wird.
Eine Tiefsetzsteller- bzw. Stromstellereinrichtung TS ist mit einem Zwischenkreiskondensator C1 der Umrichtereinrichtung 20 elektrisch verschaltet, wobei die Tiefsetzsteller- einrichtung TS einen Längsschalter STS, eine Tiefpassinduktivität L4 und eine Freilaufdiode FLD aufweist. Der Zwischenkreiskondensator C1 ist vorzugsweise als ein elektrischer Ladungszwischenspeicher für die Tiefsetzstellereinrichtung TS ausgebildet bzw. dimensioniert.
In einem Ladebetrieb der Umrichtereinrichtung 20 werden einer elektronischen Steuerungseinrichtung 10 mittels Strom- und Spannungssensoren (nicht dargestellt) ermittelte Werte und zeitliche Verläufe der drei Phasenspannungen, der Phasenströme und eines Ladestroms (Batterieladestrom) durch die Induktivität L4 zugeführt. Abhängig von den genannten Parametern werden mittels der Steuerungseinrichtung 10 die Schalter S1 ...S6 der Umrichtereinrichtung 20 derart geschaltet, dass die drei Phasenströme mit den jeweiligen Phasenspannungen U1 , U2, U3 im Wesentlichen in Phase und im Wesentlichen sinusförmig ausgebildet sind. Vorteilhaft werden alle sechs Schalter S1 ...S6 der Umrichtereinrichtung 20 durch die erläuterte Betriebsweise symmetrisch und gleichmäßig belastet.
Die Umrichtereinrichtung 20 realisiert funktional eine Hochsetzstellertopologie, die ein Hochsetzen eines Spannungsniveaus der Eingangswechselspannung über ein Spannungsniveau des elektrischen Energiespeichers B realisiert.
Dadurch übernimmt die Umrichtereinrichtung 20 zusammen mit den Induktivitäten L1 ...L3 erfindungsgemäß eine Funktionalität einer Korrektureinrichtung nach den Prinzipien einer Oberwellenfaktorverbesserung (engl. Power Factor Correction).
Im Ergebnis bedeutet dies ein Bereitstellen eines Ohmschen Verhaltens in den drei Phasen U1 , U2, U3 der dreiphasigen Wechselspannungsquelle, was vorteilhaft eine geringe Emission von Oberwellen ins dreiphasige Wechselspannungsnetz mit sich bringt. Auf die- se Weise wird also ein zu jeder Netzspannung synchroner Stromverlauf bereitgestellt.
Mittels des Schalters STS der Tiefsetzstellereinrichtung TS wird im Ladebetrieb ferner ein summarischer Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher B erzeugt, der einen definierten Maximalwert vorzugsweise nicht übersteigt. Dies wird durch ein getaktetes Betäti- gen des Schalters STS (z.B. ein pulsweitenmoduliertes Takten) der Tiefsetzstellereinrichtung TS erreicht, wobei durch das getaktete Schalten des unidirektional leitenden Schalters STS Stromflüsse über die Induktivität L4 periodisch unterbrochen werden. Deshalb ist eine Freilaufdiode FLD vorgesehen, die zu definierten Zeiträumen Stromflüsse über die Induktivität L4 in den elektrischen Energiespeicher B ermöglicht.
Während des regulären Motor- bzw. Fahrbetriebs der Umrichtereinrichtung 20 ist der die Tiefsetzstellereinrichtung TS überbrückende Schalter SF geschlossen und die dreiphasige Wechselspannungsquelle U1 , U2, U3 ist von der Umrichtereinrichtung 20 getrennt. Der Schalter SF kann dabei entweder als ein elektromechanischer Schütz oder als ein Halblei- terschalter ausgebildet sein. Der Elektromotor M wird entsprechend dem vorgesehenen Fahrbetrieb angesteuert. Während des Ladebetriebs ist der Schalter SF geöffnet und der Schalter STS wird getaktet, um den Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher B zu generieren. Im Ergebnis ist also die Umrichtereinrichtung 20 direkt an die dreiphasige Wechselspannungsquelle U1 , U2, U3 angeschlossen und wird entsprechend einer Realisierung einer PFC-Funktionalität angesteuert. Die drei Phasenströme des Motorstroms werden während des Ladebetriebs entsprechend den mathematischen Prinzipien der Clarke-Transformation in ein Zweiphasensystem mit einem Blind- und einem Wirkanteil (lq = 0, ld > 0) umgerechnet, wodurch vorteilhaft kein Drehmoment im Elektromotor M erzeugt wird. Vorteilhaft steht der Elektromotor M im Ladebetrieb somit still.
Wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, wird die Umrichtereinrichtung 20 von der dreiphasigen Wechselspannungsquelle U1 , U2, U3 getrennt, der Schalter STS wird dauerhaft geöffnet und der Schalter SF wird geschlossen. Dadurch kann im Ergebnis ein einfaches Umschalten zwischen einem Fahrbetrieb und einem Ladebetrieb der Umrichtereinrichtung 20 durchgeführt werden.
Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt 201 erfolgt ein bedarfsweises Hochsetzen von allen Spannungsphasen der Wechselspannungsquelle U1 , U2, U3 mittels einer Umrichtereinrichtung 20 derart, dass ein elektrisches Spannungsniveau eines Zwischenkreises der Umrichtereinrichtung 20 höher ist als ein elektrisches Spannungsniveau des elektrischen Energie- Speichers B, wobei Schalter S1 ...S6 der Umrichtereinrichtung 20 derart betätigt werden, dass die Phasenströme der Wechselspannungsquelle U1 , U2, U3 im Wesentlichen sinusförmig sind, und wobei die Phasenströme der Wechselspannungsquelle U1 , U2, U3 mit den Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle U1 , U2, U3 im Wesentlichen in Phase sind.
In einem zweiten Schritt 202 wird ein Generieren eines Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher B mittels getakteten Betätigens einer mit einem Kondensator C1 der Umrichtereinrichtung 20 elektrisch verschalteten Tiefsetzstellereinrichtung TS durchgeführt.
Vorteilhaft ist es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, besonders viel Funktionalität in einer einzelnen als B6-Brücke aus- gebildeten Umrichtereinrichtung abzubilden. Ferner ist ein dreiphasiges Laden der Batterie mittels der direkt, d.h. ohne einen zwischengeschalteten Zwischenkreis an die dreiphasige Wechselspannungsquelle angeschalteten Umrichtereinrichtung ermöglicht.
Vorteilhaft ist es mittels der vorliegenden Erfindung also möglich, die bereits vorhandene Umrichtereinrichtung 20 noch besser auszunutzen, wodurch Hardware und somit Platz und Kosten eingespart werden können.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (B) aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle (111 , U2, U3), aufweisend:
- eine mit der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) elektrisch verschaltete Umrichtereinrichtung (20) mit drei Halbbrücken (H1 , H2, H3) mit jeweils zwei seriell geschalteten Schaltern (S1 , S2; S3, S4; S5, S6), wobei jeweils eine Induktivität (L1 , L2, L3) zwischen einem Verbindungspunkt zweier Schalter (S1 ...S6) einer der Halbbrücken (H1 , H2, H3) und jeweils einer Phase der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) elektrisch verschaltet ist; und
- eine mit einem Zwischenkreiskondensator (C1 ) der Umrichtereinrichtung (20) elektrisch verschaltete Tiefsetzstellereinrichtung (TS), wobei ein Schalter (STS) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS) in einem Ladebetrieb der Vorrichtung (100) getaktet geschaltet wird und in einem Regulärbetrieb der Umrichtereinrichtung (20) geöffnet ist; und
- einen Schalter (SF), mittels dessen die Tiefsetzstellereinrichtung (TS) im
Regulärbetrieb der Umrichtereinrichtung (20) überbrückbar ist;
- wobei mittels einer Steuerungseinrichtung (10) in Abhängigkeit von den Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) und Strömen durch die Induktivitäten (L1 , L2, L3) der Schalter (STS) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS) und die Schalter (S1 ...S6) der Halbbrücken (H1 , H2, H3) der Umrichtereinrichtung (20) derart schaltbar sind, dass ein der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (B) entnommener Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher (B) derart ausgebildet ist, dass jeder Phasenstrom der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) im Wesentlichen sinusförmig ist, wobei die Phasenströme mit den entsprechenden Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) im Wesentlichen in Phase sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) im Ladebetrieb der
Umrichtereinrichtung (20) derart ausgebildet sind, dass auf einen mit der
Umrichtereinrichtung (20) verschalteten Motor (M) kein Drehmoment ausgeübt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (STS) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS) ein unidirektional leitender Halbleiterschalter ist, der einen Strom nur in Richtung auf den Energiespeicher (B) zu durchlasse
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (STS) der Tiefsetzstellereinrichtung (TS) im Ladebetrieb der Umrichtereinrichtung (20) pulsweitenmoduliert getaktet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Tiefsetzstellereinrichtung (TS) überbrückende Schalter (SF) ein Schütz oder ein Halbleiterschalter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (C1 ) der Umrichtereinrichtung (20) als ein Zwischenspeicher für die Stromstellereinrichtung (TS) ausgebildet ist.
Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (B) aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3), aufweisend die Schritte:
- Bedarfsweises Hochsetzen von allen Spannungsphasen der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) mittels einer Umrichtereinrichtung (20) derart, dass ein elektrisches Spannungsniveau eines Zwischenkreises der Umrichtereinrichtung (20) höher ist als ein elektrisches Spannungsniveau des elektrischen Energiespeichers (B), wobei Schalter (S1 ...S6) der Umrichtereinrichtung (20) derart betätigt werden, dass die Phasenströme der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) im Wesentlichen sinusförmig sind, und wobei die Phasenströme der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) mit den Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle (U1 , U2, U3) im Wesentlichen in Phase sind; und
- Generieren eines Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher (B) mittels getakteten Betätigens einer mit einem Kondensator (C1 ) der Umrichtereinrichtung (20) elektrisch verschalteten Tiefsetzstellereinrichtung (TS).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Taktverhältnis des Schalters (STS)
der Tiefsetzstellereinrichtung (TS) nach einem Erfordernis eines Ladezustands des elektrischen Energiespeichers (B) ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Schalter (STS) der
Tiefsetzstellereinrichtung (TS) nur in einem Ladebetrieb des elektrischen Energiespeichers (B) betätigt wird, wobei in einem regulären Betrieb der Umrichtereinrichtung (20) der Schalter (STS) geöffnet ist und wobei die Tiefsetzstellereinrichtung (TS) mittels eines Schalters (SF) überbrückt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wenn es auf einer elektronischen Steuerungseinrichtung (10) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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