WO2018108779A1 - Vorrichtung zur prüfung elektrischer energiespeichersysteme - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a switched electrical DC voltage, wherein the device comprises a transformer, a rectifier module and a DC-DC converter module.
  • the invention further relates to the use of such a device for testing electrical
  • Energy storage systems in particular battery test systems, known, in particular for the examination of electrical energy storage for electric vehicles.
  • the battery systems to be tested work with as high a DC voltage as possible
  • Rectifier module downstream and via switched DC-DC converter to generate the required switched DC voltage.
  • the blocking voltage is about 30% - 40% above the DC voltage to be switched to prevent semiconductor damage.
  • Semiconductor switches with higher blocking voltage resistance generally have a lower switching frequency and dynamics than semiconductor switches with lower blocking voltage resistance.
  • cascaded DC-DC converters with reduced partial voltages.
  • cascaded DC-DC converters with reduced partial voltages.
  • the use of three Level inverters In this case, the high input DC voltage is divided into a plurality of semiconductor switches arranged in series, in particular IGBTs, so that a reduced blocking voltage resistance is required for each individual semiconductor switch.
  • the use of three-level inverters has the disadvantage of increased switching costs.
  • the object of the invention is therefore to overcome these and other disadvantages and to provide a device for testing electrical energy storage, which allows the realization of the required high switched DC voltages with the best possible dynamics and high switching frequency at the lowest possible switching costs.
  • the transformer has a first secondary circuit and a second secondary circuit, wherein the first secondary circuit, a first rectifier and the second secondary circuit, a second rectifier is connected downstream, and the first rectifier, a first switched DC-DC converter and the second rectifier, a second switched DC-DC converter is connected downstream, wherein the switched DC-DC converter as a two-level buck converter (two-level step-down converter) are executed.
  • the two switched DC-DC converters are preferably connected in series on the output side, so that their output voltages add up.
  • the device according to the invention allows a high dynamics of the test system when using 1200V semiconductors at output voltages of 1200V or above.
  • the advantage can be achieved that simpler two-level buck converters can be used in the design, which has both a higher switching frequency and improved dynamics have as semiconductor switch with higher blocking voltage resistance.
  • the two power paths divide the total voltage so that semiconductor switches with lower blocking voltage resistance than the total voltage used and the DC-DC converter can be connected in series on the output side in order to achieve the desired high output voltage.
  • the reference potentials of the first rectifier and the second rectifier are connected together, and that the reference potentials of the first DC-DC converter and the second DC-DC converter are interconnected and preferably brought out as mid-point potential.
  • either only the reference potentials of the DC-DC converter can be brought out as the mid-point potential or ground through the reference potentials of the rectifier and the DC-DC converter and brought out together as the mid-point potential.
  • the outputs and reference potentials of the first rectifier and the second rectifier are led out as DC link connections.
  • they may be - e.g. for supplying an external consumer - led out of the device, for example in the form of tap terminals.
  • These DC link connections provide a substantially constant DC voltage and can be used in particular for supplying an external consumer.
  • the first secondary circuit and / or the second secondary circuit can be executed with an arbitrary transmission ratio.
  • a transmission ratio of 2: 1 to the primary side be carried out so that the output voltages of the secondary circuits and thus the input voltage of the power paths each equal to half the input voltage of the transformer.
  • the first secondary circuit and the second secondary circuit with a transmission ratio of 1: 0.94 to the primary side, since here the input voltages of the power paths, for example, still remain in the low voltage range and corresponding low-voltage standards have validity.
  • the device according to the invention which provides two series-connected two-level buck converters, each having a two-level buck converter per power path, offers the advantage that smaller and passive filter components can be used.
  • a different distribution of the high primary voltage can also be provided, for example by applying a higher voltage to a power path than the other power paths.
  • an asymmetry of the DC voltage at the output terminals of the test apparatus can be achieved in a targeted manner.
  • the invention can also be provided to divide the high primary voltage in three or more secondary paths, the respective secondary paths are each carried out with the invention proposed series circuit of rectifier module and switched DC-DC converter, and wherein the DC-DC converter output side are each connected in series to the desired high output voltage to reach.
  • the first secondary circuit and the second secondary circuit of the transformer are three-phase.
  • the switched DC-DC converters are designed as four-armed two-level step-down converters.
  • semiconductor components in particular IGBTs or MOSFETs, are used in the rectifiers and the switched DC-DC converters.
  • the device is designed to generate a switched DC voltage having an amplitude of more than 1000 V, preferably more than 1200 V, particularly preferably in the range from 1300 V to 1700 V, wherein the semiconductor components in the power paths, in particular in the rectifiers and / or or the switched DC-DC converters, a blocking voltage strength of less than 1700V, preferably about 1200V, have.
  • the switched DC-DC converters are advantageously connected in series on the output side.
  • an increased DC voltage can be provided.
  • the object of the invention is further achieved by the above-described use of a device according to the invention for testing an electrical energy storage system according to the invention in that the electrical outputs of the DC-DC converter are connected to the energy storage system to be tested.
  • the optionally provided intermediate circuit connections can be used to supply an electrical load.
  • the invention also relates to the use of the device according to the invention for emulating an electrical energy storage system.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the testing device according to the invention
  • FIG. 2a shows a detailed circuit diagram of a first embodiment of the test device according to the invention.
  • FIG. 2b shows a detailed circuit diagram of a second embodiment of the test device according to the invention.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the test device according to the invention.
  • the three-phase mains voltage is divided in a three-phase transformer 1, with a primary side 1 1 and two secondary circuits 4, 5 on two secondary paths.
  • the two secondary paths each form their own power path for generating the required switched DC voltage.
  • Each individual power path comprises a rectifier module MR and a DC-DC converter STDC, in the upper power path the rectifier module MR + 6 and the DC-DC converter STDC + 8, and in the lower power path the rectifier module MR-7 and the DC-DC converter STDC-9 are provided, the two rectifier modules 2 and the two DC-DC converter 3 usually for a symmetrical load of the same type can be.
  • the reference potentials 15, 17 of the two rectifier modules 6, 7 are connected together.
  • the two DC-DC converters STDC + 8 and STDC- 9 are connected in series on the output side in order to generate the desired high output voltage at the outputs 18, 19 of the DC-DC converter 3 and the reference potentials 20, 21 of the DC-DC converter 3.
  • the galvanic separation of the two power paths has the advantage that the DC link voltage of the two power paths, so the voltage at the reference potential 15, 17, only at a voltage level of about 650V to 850V, although an output voltage of 1200V - 1700V can be achieved. Therefore, the use of semiconductors (IGBT, MOSFET, diodes) with lower blocking voltage resistance and low switching and conduction losses and correspondingly higher switching frequency and dynamics is possible.
  • IGBTs with a blocking voltage strength of 1200V are used.
  • the dynamics of the output voltage to be controlled is high, because 1200V semiconductors have a switching frequency of about 5 - 15kHz, while 1700V semiconductors typically can only be operated with a switching frequency of 1 .5 - 4 kHz.
  • high system output voltages of up to 1500V DC can be realized with 1200V semiconductors.
  • another advantage of this topology is that the potential DC_MP (MP ... center point) can be led out of the circuit and used.
  • an asymmetry of the voltage at the partial outputs DC + to DC MP and DC MP to DC- can be regulated in a targeted manner, which can be used for testing the test object and are combined as electrical outputs 12.
  • the intermediate circuit between the reference potentials 15, 17 of the rectifier module 2 and the outputs 14, 16 of the rectifier module 2 with the terminals, ZK +, ZK MP and ZK - led out and executed as a DC link 10.
  • This can be used to connect two-level motor inverters as well as three-level motor inverters or other electrical consumers.
  • Fig. 2a shows a detailed circuit diagram of an embodiment of the test device according to the invention.
  • the device comprises a three-phase transformer 1 with a divided secondary side, which comprises a first secondary circuit 4 and a second secondary circuit 5.
  • Each of the two secondary sides drive its own power path with a rectifier module 2 comprising a first rectifier 6 and a second rectifier 7, and a switched DC-DC converter module 3 comprising a first DC-DC converter 8 and a second DC-DC converter 9.
  • the DC-DC converters 8, 9 are connected in series on the output side in order to provide an increased DC voltage at the electrical outputs 12.
  • the reference potentials of the rectifier 6, 7 and the DC-DC converter 8, 9 are connected together and led out as the midpoint potential MP from the device.
  • the rectifier modules 6, 7 are based on a two-level inverter topology with IGBTs 13 and semiconductor diodes, and a buffer capacitor 22 between the respective output 14, 16 and the reference potential 15, 17.
  • the DC-DC converters 8, 9 are based on a four-legged (two-level) step-down converter, also with IGBTs 13 and semiconductor diodes.
  • the outputs 18, 19 of the four arms (legs) of the buck converter are led out as output terminals and buffered by a buffer capacitor 23 against the reference potential 20.
  • Both the IGBTs used and the semiconductor diodes used are preferably components with a blocking voltage strength of 1200 V or less in order to ensure the highest possible switching frequency at an output voltage of more than 1200 V DC.
  • the potential of the intermediate circuit between the rectifiers 6, 7 and the DC-DC converters 8, 9 is not led out. It can be seen that the reference potentials 15, 17 of the rectifier modules and the reference potentials 20, 21 of the DC-DC converters 8, 9 are connected together and form the midpoint terminal MP, which is led out.
  • a desired voltage symmetry at the outputs 12 of the device can be adjusted.
  • FIG. 2b shows a further detailed circuit diagram of an embodiment of the test device according to the invention.
  • the circuit diagram essentially corresponds to the exemplary embodiment of FIG. 2a.
  • the rectifier modules 6, 7 are again based on a two-level inverter topology with IGBTs 13.
  • the DC-DC converters 8, 9 are again based on a four-legged (two-level) buck converter topology, also with IGBTs 13.
  • the DC link terminals 10 are led out. It can be seen that the reference potentials 15, 17 of the rectifier modules and the reference potentials 20, 21 of the DC-DC converters 8, 9 are connected together and form the midpoint terminal MP. In addition, this reference potential is also led out as part of the DC link connections 10.
  • the invention is not limited to the present embodiments, but includes all devices and uses within the scope of the following claims.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer geschalteten elektrischen Gleichspannung, umfassend einen Transformator, ein Gleichrichtermodul (2) und ein Gleichspannungswandlermodul (3), wobei der Transformator (1) einen ersten Sekundärkreis (4) und einen zweiten Sekundärkreis (5) aufweist, dem ersten Sekundärkreisen (4) ein erster Gleichrichter (6) und dem zweiten Sekundärkreis (5) ein zweiter Gleichrichter (7) nachgeschaltet ist, und dem ersten Gleichrichter (6) ein erster geschalteter Gleichspannungswandler (8) und dem zweiten Gleichrichter (7) ein zweiter geschalteter Gleichspannungswandler (9) nachgeschaltet ist, wobei die nachgeschalteten Gleichspannungswandler (8, 9) als Zwei-Level Tiefsetzsteller ausgeführt sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung dieser Vorrichtung zur Prüfung eines elektrischen Energiespeichersystems.

Description

Vorrichtung zur Prüfung elektrischer Energiespeichersysteme
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer geschalteten elektrischen Gleichspannung, wobei die Vorrichtung einen Transformator, ein Gleichrichtermodul und ein Gleichspannungswandlermodul umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung einer derartigen Vorrichtung zur Prüfung elektrischer
Energiespeichersysteme.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Prüfung von elektrischen
Energiespeichersystemen, insbesondere Batterietestsysteme, bekannt, insbesondere für die Prüfung der elektrischen Energiespeicher für Elektrofahrzeuge. Die zu testenden Batteriesysteme arbeiten mit möglichst hohen Gleichspannungen, um
Querschnittseinsparungen bei der Verkabelung im Fahrzeug und damit auch Kosten und Gewicht zu sparen. Dies erfordert für die Prüfvorrichtungen die Erzeugung von geschalteten Prüf-Gleichspannungen im Bereich von 1000V und darüber. Gleiches gilt für die Emulation derartiger Energiespeichersysteme.
Zu diesem Zweck ist es bekannt, der Sekundärseite eines Transformators ein
Gleichrichtermodul nachzuschalten und über geschaltete Gleichspannungswandler die erforderliche geschaltete Gleichspannung zu erzeugen.
Zur Erzeugung dieser geschalteten Gleichspannung sind elektronische Schalter in Form von MOSFETs oder IGBTs mit Blockierspannungsfestigkeiten im Bereich 650V, 1200V oder 1700V gebräuchlich, wobei die Blockierspannungsfestigkeit etwa 30% - 40% über der zu schaltenden Gleichspannung liegt, um Halbleiterschäden zu vermeiden.
Dabei unterscheiden sich die elektronischen Schalter abhängig von der Spannungsklasse erheblich in ihrer Schaltgeschwindigkeit: Halbleiterschalter mit höherer Blockierspannungsfestigkeit weisen in der Regel eine geringere Schaltfrequenz und Dynamik auf als Halbleiterschalter mit niedrigerer Blockierspannungsfestigkeit.
Um die geforderte Dynamik der Prüfsysteme auch bei hohen Gleichspannungen zu erreichen, ist es bekannt, kaskadierte Gleichspannungswandler mit reduzierten Teilspannungen einzusetzen. Gebräuchlich ist beispielsweise der Einsatz von Drei- Level Invertern. Dabei wird die hohe Eingangs-Gleichspannung auf mehrere, in Serie angeordnete Halbleiterschalter, insbesondere IGBTs, aufgeteilt, sodass für jeden einzelnen Halbleiterschalter eine reduzierte Blockierspannungsfestigkeit erforderlich ist. Der Einsatz von Drei-Level-Invertern hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Schaltaufwands.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, diese und andere Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung zum Testen elektrischer Energiespeicher zu schaffen, welche die Realisierung der erforderlichen hohen geschalteten Gleichspannungen mit möglichst guter Dynamik und hoher Schaltfrequenz bei möglichst niedrigem Schaltaufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Transformator einen ersten Sekundärkreis und einen zweiten Sekundärkreis aufweist, wobei dem ersten Sekundärkreis ein erster Gleichrichter und dem zweiten Sekundärkreis ein zweiter Gleichrichter nachgeschaltet ist, und dem ersten Gleichrichter ein erster geschalteter Gleichspannungswandler und dem zweiten Gleichrichter ein zweiter geschalteter Gleichspannungswandler nachgeschaltet ist, wobei die geschalteten Gleichspannungswandler als Zwei-Level Tiefsetzsteller (two- level step-down Converter) ausgeführt sind. Die beiden geschalteten Gleichspannungswandler werden ausgangsseitig vorzugsweise in Serie geschaltet, sodass sich ihre Ausgangsspannungen addieren.
Dadurch werden zwei galvanisch getrennte Leistungspfade mit jeweils reduzierter Spannung realisiert. Dies erlaubt in den Leistungspfaden die Verwendung von Halbleiterschaltern mit niedrigerer Blockierspannungsfestigkeit und höherer Schaltfrequenz und Dynamik, als dies bei Verwendung eines einzigen Leistungspfades möglich wäre.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine hohe Dynamik des Prüfsystems beim Einsatz von 1200V Halbleitern bei Ausgangspannungen von 1200V oder darüber. Dadurch lässt sich einerseits der Vorteil erzielen, dass im Aufbau einfachere Zwei-Level Tiefsetzsteller verwendet werden können, welche sowohl eine höhere Schaltfrequenz als auch eine verbesserte Dynamik aufweisen als Halbleiterschalter mit höherer Blockierspannungsfestigkeit. Andererseits teilen sich die beiden Leistungspfade die Gesamtspannung so auf, dass Halbleiterschalter mit geringerer Blockierspannungsfestigkeit als die Gesamtspannung verwendet und die Gleichspannungswandler ausgangsseitig jeweils in Serie geschaltet werden können, um die gewünschte hohe Ausgangsspannung zu erreichen.
Erfindungsgemäß ist günstigerweise vorgesehen, dass die Bezugspotentiale des ersten Gleichrichters und des zweiten Gleichrichters zusammengeschaltet sind, sowie dass die Bezugspotentiale des ersten Gleichspannungswandlers und des zweiten Gleichspannungswandlers zusammengeschaltet und vorzugsweise als Mittelpunktpotential herausgeführt sind. Dabei können entweder nur die Bezugspotentiale der Gleichspannungswandler als Mittelpunktpotential herausgeführt werden oder die Bezugspotentiale der Gleichrichter und der Gleichspannungswandler durchgeschliffen und gemeinsam als Mittelpunktpotential herausgeführt werden. Dadurch wird erreicht, dass die Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung der Summe der Ausgangsspannungen der beiden Leistungspfade entspricht. Die Leistungspfade teilen sich die hohe Gesamtspannung erfindungsgemäß auf, sodass für jeden Leistungspfad Halbleiterschalter mit geringerer Blockierspannungsfestigkeit und höherer Dynamik verwendet werden können.
Vorteilhafterweise werden die Ausgänge und Bezugspotentiale des ersten Gleichrichters und des zweiten Gleichrichters als Zwischenkreisanschlüsse herausgeführt. Insbesondere können sie - z.B. zur Versorgung eines externen Verbrauchers - aus der Vorrichtung herausgeführt sein, beispielsweise in Form von Abgriffklemmen. Diese Zwischenkreisanschlüsse liefern eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung und können insbesondere zur Versorgung eines externen Verbrauchers verwendet werden.
Grundsätzlich können der erste Sekundärkreis und/oder der zweite Sekundärkreis mit einem beliebigen Übersetzungsverhältnis ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 zur Primärseite ausgeführt sein, sodass die Ausgangsspannungen der Sekundärkreise und somit die Eingangsspannung der Leistungspfade jeweils der halben Eingangsspannung des Transformators entsprechen. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, den ersten Sekundärkreis und den zweiten Sekundärkreis mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 :0,94 zur Primärseite auszuführen, da hier die Eingangsspannungen der Leistungspfade beispielsweise noch im Niederspannungsbereich bleiben und dementsprechende Niederspannungsnormen Gültigkeit haben. Bei dem sich dadurch ergebenden Niederspannungsbereich im Zwischenkreis bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche zwei in Serie geschaltete Zwei-Level Tiefsetzsteller vorsieht, wobei jeweils ein Zwei-Level Tiefsetzsteller pro Leistungspfad angeordnet ist, den Vorteil, dass kleinere und passive Filterkomponenten verwendet werden können.
Die Verwendung dieser Schaltungstopologie stellt überraschenderweise trotz der Verwendung von doppelt so vielen Bauteilen als bei bekannten Vorrichtungen eine schnellere, dynamischere und günstigere Vorrichtung dar.
Erfindungsgemäß kann aber auch eine andere Aufteilung der höhen Primärspannung vorgesehen sein, beispielsweise indem ein Leistungspfad mit einer höheren Spannung beaufschlagt wird, als der andere Leistungspfade. Dadurch kann gezielt eine Asymmetrie der Gleichspannung an den Ausgangsanschlüssen der Prüfvorrichtung erreicht werden.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, die hohe Primärspannung in drei oder mehr Sekundärpfade aufzuteilen, wobei die jeweiligen Sekundärpfade jeweils mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Serienschaltung aus Gleichrichtermodul und geschaltetem Gleichspannungswandler ausgeführt sind, und wobei die Gleichspannungswandler ausgangsseitig jeweils in Serie geschaltet sind, um die gewünschte hohe Ausgangsspannung zu erreichen.
Vorteilhafterweise sind der erste Sekundärkreis und der zweite Sekundärkreis des Transformators dreiphasig.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind die geschalteten Gleichspannungswandler als vierarmige Zwei-Level Tiefsetzsteller (two-level, four-leg step-down Converter) ausgeführtGünstigerweise werden in den Gleichrichtern und den geschalteten Gleichspannungswandlern Halbleiterbauelemente, insbesondere IGBTs oder MOSFETs, verwendet. Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Erzeugung einer geschalteten Gleichspannung mit einer Amplitude von über 1000V, vorzugsweise über 1200V, besonders bevorzugt im Bereich von 1300V bis 1700V, ausgelegt ist, wobei die Halbleiterbauelemente in den Leistungspfaden, insbesondere in den Gleichrichtern und/oder den geschalteten Gleichspannungswandlern, eine Blockierspannungsfestigkeit von unter 1700V, vorzugsweise etwa 1200 V, aufweisen.
In einer Variante der Erfindung sind vorteilhafterweise die geschalteten Gleichspannungswandler ausgangsseitig in Serie geschaltet. Damit kann eine erhöhte Gleichspannung zur Verfügung gestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren durch die eingangs geschilderte Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung eines elektrischen Energiespeichersystems erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrischen Ausgänge der Gleichspannungswandler an das zu prüfende Energiespeichersystem angeschlossen werden.
Erfindungsgemäß können bei dieser Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zusätzlich zur Prüfung des elektrischen Energiespeichersystems die optional vorgesehenen Zwischenkreisanschlüsse zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers verwendet werden.
Die Erfindung betrifft schließlich auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Emulation eines elektrischen Energiespeichersystems.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nicht-einschränkenden, nicht-ausschließlichen Ausführungsbeispiele, die in den
Figuren dargestellt sind, näher erläutert. Darin zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung,
Fig. 2a einen detaillierten Schaltplan einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung, und
Fig. 2b einen detaillierten Schaltplan einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung. Die dreiphasige Netzspannung wird in einem Dreiphasen-Transformator 1 , mit einer Primärseite 1 1 und zwei Sekundärkreisen 4, 5 auf zwei Sekundärpfade aufgeteilt. Die beiden Sekundärpfade bilden jeweils einen eigenen Leistungspfad zur Erzeugung der geforderten geschalteten Gleichspannung.
Jeder einzelne Leistungspfad umfasst ein Gleichrichtermodul MR und einen Gleichspannungswandler STDC, wobei im oberen Leistungspfad das Gleichrichtermodul MR+ 6 und der Gleichspannungswandler STDC+ 8, und im unteren Leistungspfad das Gleichrichtermodul MR- 7 und der Gleichspannungswandler STDC- 9 vorgesehen sind, wobei die beiden Gleichrichtermodule 2 und die beiden Gleichspannungswandler 3 üblicherweise für eine symmetrische Belastung vom gleichen Typ sein können. Die Bezugspotentiale 15, 17 der beiden Gleichrichtermodule 6, 7 sind zusammengeschaltet. Die beiden Gleichspannungswandler STDC+ 8 und STDC- 9 sind ausgangsseitig in Serie geschaltet, um die gewünschte höhe Ausgangsspannung an den Ausgängen 18, 19 der Gleichspannungswandler 3 bzw. den Bezugspotentialen 20, 21 der Gleichspannungswandler 3 zu erzeugen.
Die galvanische Trennung der beiden Leistungspfade bringt den Vorteil mit sich, dass die Zwischenkreisspannung der beiden Leistungspfade, also die Spannung am Bezugspotential 15, 17, nur auf einem Spannungsniveau von etwa 650V bis 850V liegt, obwohl eine Ausgangsspannung von 1200V - 1700V erreicht werden kann. Daher ist der Einsatz von Halbleitern (IGBT, MOSFET, Dioden) mit niedrigerer Blockierspannungsfestigkeit und geringen Schalt- und Leitverlusten und dementsprechend höherer Schaltfrequenz und Dynamik möglich.
Beispielsweise werden IGBTs mit einer Blockierspannungsfestigkeit von 1200V eingesetzt. Die Dynamik der zu regelnden Ausgangsspannung ist hoch, denn 1200V Halbleitern weisen eine Schaltfrequenz von etwa 5 - 15kHz auf, während 1700V Halbleiter typisch lediglich mit einer Schaltfrequenz von 1 .5 - 4 kHz betrieben werden können. Somit können hohe Systemausgangsspannungen von bis zu 1500V DC mit 1200V Halbleitern realisiert werden. Neben der besseren Systemdynamik, die vergleichbar mit 800V Batterietestern bzw. Emulatoren ist, besteht ein weiterer Vorteil dieser Topologie darin, dass auch das Potential DC_MP (MP... Mittelpunkt) aus der Schaltung herausgeführt und verwendet werden kann. Es kann somit gezielt eine Asymmetrie der Spannung an den Teilausgängen DC+ zu DC MP und DC MP zu DC- eingeregelt werden, die für das Testen des Prüfling eingesetzt werden kann und als elektrische Ausgänge 12 zusammengefasst sind.
Weiters ist es möglich, dass der Zwischenkreis, zwischen den Bezugspotentialen 15, 17 des Gleichrichtermoduls 2 und den Ausgängen 14, 16 des Gleichrichtermoduls 2 mit den Anschlüssen, ZK + , ZK MP und ZK - herausgeführt und als Zwischenkreisanschlüsse 10 ausgeführt wird. Daran können sowohl Zwei-Level Motorumrichter, als auch Drei-Level Motorumrichter oder andere elektrische Verbraucher angeschlossen werden.
Fig. 2a zeigt einen detaillierten Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Dreiphasen- Transformator 1 mit einer geteilten Sekundärseite, die einen ersten Sekundärkreis 4 und einen zweiten Sekundärkreis 5 umfasst. Jede der beiden Sekundärseiten treiben einen eigenen Leistungspfad mit einem Gleichrichtermodul 2 umfassend einen ersten Gleichrichter 6 und einen zweiten Gleichrichter 7, sowie einem geschalteten Gleichspannungswandlermodul 3 umfassend einen ersten Gleichspannungswandler 8 und einen zweiten Gleichspannungswandler 9.
Die Gleichspannungswandler 8, 9 sind ausgangsseitig in Serie geschaltet, um an den elektrischen Ausgängen 12 eine erhöhte Gleichspannung zur Verfügung zu stellen. Die Bezugspotentiale der Gleichrichter 6, 7 und der Gleichspannungswandler 8, 9 sind zusammengeschaltet und als Mittelpunktpotential MP aus der Vorrichtung herausgeführt.
Die Gleichrichtermodule 6, 7 basieren auf einer Zwei-Level Inverter-Topologie mit IGBTs 13 und Halbleiterdioden, sowie einem Pufferkondensator 22 zwischen dem jeweiligen Ausgang 14, 16 und dem Bezugspotential 15, 17. Die Gleichspannungswandler 8, 9 basieren auf einer vierarmigen (four-legs) Zwei-Level Tiefsetzsteller-Topologie (step-down Converter), ebenfalls mit IGBTs 13 und Halbleiterdioden.
Die Ausgänge 18, 19 der vier Arme (legs) des Tiefsetzstellers sind als Ausgangsanschlüsse herausgeführt und über einen Pufferkondensator 23 gegen das Bezugspotential 20 gepuffert. Sowohl bei den verwendeten IGBTs, als auch bei den verwendeten Halbleiterdioden handelt es sich vorzugsweise um Bauelemente mit einer Blockierspannungsfestigkeit von 1200V oder niedriger, um bei einer Ausgangsspannung von über 1200V DC eine möglichst hohe Schaltfrequenz zu gewährleisten.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Potential des Zwischenkreises zwischen den Gleichrichtern 6, 7 und den Gleichspannungswandlern 8, 9 nicht herausgeführt. Es ist ersichtlich, dass die Bezugspotentiale 15, 17 der Gleichrichtermodule und die Bezugspotentiale 20, 21 der Gleichspannungswandler 8, 9 zusammengeschlossen sind und den Mittelpunktanschluss MP bilden, der herausgeführt ist. Durch Anpassung des Übersetzungsverhältnisses der Sekundärkreise 4, 5 gegenüber der Primärseite 1 1 kann eine gewünschte Spannungs-Symmetrie an den Ausgängen 12 der Vorrichtung eingestellt werden.
Fig. 2b zeigt einen weiteren detaillierten Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung. Der Schaltplan entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2a. Die Gleichrichtermodule 6, 7 basieren wiederum auf einer Zwei-Level Inverter-Topologie mit IGBTs 13. Die Gleichspannungswandler 8, 9 basieren wiederum auf einer vierarmigen (four-legs) Zwei-Level Tiefsetzsteller- Topologie, ebenfalls mit IGBTs 13.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zwischenkreisanschlüsse 10 herausgeführt. Es ist ersichtlich, dass die Bezugspotentiale 15, 17 der Gleichrichtermodule und die Bezugspotentiale 20, 21 der Gleichspannungswandler 8, 9 zusammengeschlossen sind und den Mittelpunktanschluss MP bilden. Zusätzlich ist dieses Bezugspotential auch als Teil der Zwischenkreisanschlüsse 10 herausgeführt. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorliegenden Ausführungsbeispiele, sondern umfasst sämtliche Vorrichtungen und Verwendungen im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche.
Bezugszeichenliste
Transformator
Gleichrichtermodul
Gleichspannungswandlermodul
Erster Sekundärkreis
Zweiter Sekundärkreis
Erster Gleichrichter
Zweiter Gleichrichter
Erster Gleichspannungswandler
Zweiter Gleichspannungswandler
Zwischenkreisanschlüsse
Primärseite des Transformators
Elektrische Ausgänge
IGBT
Ausgang des ersten Gleichrichters
Bezugspotential des ersten Gleichrichters
Ausgang des zweiten Gleichrichters
Bezugspotential des zweiten Gleichrichters
Ausgang des ersten Gleichspannungswandlers
Ausgang des zweiten Gleichspannungswandlers
Bezugspotential des ersten Gleichspannungswandlers
Bezugspotential des zweiten Gleichspannungswandlers

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Erzeugung einer geschalteten elektrischen Gleichspannung, wobei die Vorrichtung einen Transformator (1 ), ein Gleichrichtermodul (2) und ein Gleichspannungswandlermodul (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
a. der Transformator (1 ) einen ersten Sekundärkreis (4) und einen zweiten Sekundärkreis (5) aufweist,
b. dem ersten Sekundärkreis (4) ein erster Gleichrichter (6) und dem zweiten Sekundärkreis (5) ein zweiter Gleichrichter (7) nachgeschaltet ist, c. dem ersten Gleichrichter (6) ein erster geschalteter
Gleichspannungswandler (8) und dem zweiten Gleichrichter (7) ein zweiter geschalteter Gleichspannungswandler (9) nachgeschaltet ist, wobei die geschalteten Gleichspannungswandler (8, 9) als Zwei-Level Tiefsetzsteller ausgeführt sind
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Bezugspotentiale (15, 17) des ersten Gleichrichters (6) und des zweiten
Gleichrichters (7) zusammengeschaltet sind, sowie die Bezugspotentiale (20, 21 ) des ersten Gleichspannungswandlers (8) und des zweiten
Gleichspannungswandlers (9) zusammengeschaltet und vorzugsweise als Mittelpunktpotential (MP) herausgeführt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ausgänge (14, 16) und Bezugspotentiale (15, 17) des ersten Gleichrichters (6) und des zweiten Gleichrichters (7) als Zwischenkreisanschlüsse (10),
insbesondere zur Versorgung eines externen Verbrauchers herausgeführt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sekundärkreis (4) und/oder der zweite Sekundärkreis (5) mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 :0,94 zur Primärseite (1 1 ) ausgeführt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sekundärkreis (4) und der zweite Sekundärkreis (5) des
Transformators (1 ) dreiphasig sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geschalteten Gleichspannungswandler (8, 9) als vierarmige Zwei-Level Tiefsetzsteller ausgeführt sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gleichrichtern (6, 7) und den geschalteten Gleichspannungswandlern (8, 9) Halbleiterbauelemente, insbesondere IGBTs (13) oder MOSFETs, verwendet werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung einer geschalteten Gleichspannung mit einer Amplitude von über 1000V, vorzugsweise über 1200V, besonders bevorzugt im Bereich von 1300V bis 1700V, ausgelegt ist, wobei die Halbleiterbauelemente in den Gleichrichtern (6, 7) und den geschalteten Gleichspannungswandlern (8, 9) eine
Blockierspannungsfestigkeit von unter 1700V, vorzugsweise etwa 1200 V, aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geschalteten Gleichspannungswandler (8, 9) ausgangsseitig in Serie geschaltet sind.
10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Prüfung eines elektrischen Energiespeichersystems, wobei die elektrischen Ausgänge (12) der Gleichspannungswandler (8, 9) an das zu prüfende
Energiespeichersystem angeschlossen werden.
1 1 . Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Prüfung des elektrischen Energiespeichersystems die Zwischenkreisanschlüsse (10) zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers verwendet werden.
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