WO2018210452A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrischen netzes - Google Patents

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WO2018210452A1
WO2018210452A1 PCT/EP2018/025022 EP2018025022W WO2018210452A1 WO 2018210452 A1 WO2018210452 A1 WO 2018210452A1 EP 2018025022 W EP2018025022 W EP 2018025022W WO 2018210452 A1 WO2018210452 A1 WO 2018210452A1
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voltage
electrical
transformer
subnetwork
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PCT/EP2018/025022
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Inventor
Stefan GÖTZ
Hermann Dibos
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Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrical network, a multilevel converter and a power supply system.
  • An electrical network can have a plurality of energy sources, via which a plurality of consumers, which are connected to the electrical network, electrical energy can be provided.
  • the electrical network it is furthermore possible for the electrical network to be subdivided into a number of subnetworks to which different energy sources and consumers are assigned.
  • the different subnetworks may have different voltages with which the subnetworks are to be operated, these different voltages having different amplitudes and / or different maximum values.
  • Voltages are connected to one another via a voltage converter, for example a DC-DC converter or an AC-DC converter.
  • a voltage converter for example a DC-DC converter or an AC-DC converter.
  • Low-voltage network and a transformer of the motor vehicle feeds This transformer is designed to convert the low-voltage into a high-voltage, with the consumers of the high-voltage network to operate parallel to consumers of the low-voltage network.
  • a method for supplying an electric motor with an alternating current is described in US 2010 0 140 003 A1. In this case, depending on the requirements of the electric motor, it is provided with an electrical voltage via at least one pulse width modulation, whereby a plurality of types, for example three types, of a respective pulse width modulation to be used are selected. From the document US 2013 0 106 365 AI is known to charge an energy storage of an electric motor vehicle via an external power source. It is possible, the energy storage of the motor vehicle with the external power source galvanically isolated or directly charged.
  • Inverter disposed which is adapted to generate a multi-phase high voltage required by the respective load, wherein disturbing noises are avoided by selecting a difference of phases of the high-voltage voltages.
  • Multilevel converter according to the independent claim 8 and a
  • the method according to the invention is intended for operating an electrical network, which comprises a first subnetwork and a second subnetwork, which are connected to one another via at least one DC-DC converter.
  • a first connection side of the at least one DC-DC converter is assigned to the first sub-network and a second connection side of the at least one DC-DC converter to the second sub-network.
  • the first subnetwork has a multilevel converter with a plurality of individual modules, wherein each individual module has an electrical energy store, wherein the first connection side of the at least one
  • the DC converter is connected via at least one double neutral point tap to the multilevel converter.
  • the double star point tap is implemented via a first connection to a first neutral point of the multilevel converter and a second connection to a second neutral point of the multilevel converter.
  • the multilevel converter provides at least one primary alternating electrical voltage to the first subnetwork.
  • On the first connection side of the at least one DC-DC converter at least one first DC electrical voltage is tapped via the double neutral point tap, which is the at least one
  • DC converter is provided, and of the at least one
  • DC converter is transformed to an outgoing second DC electrical power, which is provided to the second subnet.
  • the DC-DC converter comprises a transformer which galvanically separates the first sub-network and the second sub-network, a primary side of the transformer having a first number of turns being assigned to the first sub-network and a secondary side of the transformer having a second number of turns being assigned to the second sub-network.
  • the transformer is preceded by an inverter on the primary side, which converts the tapped via the double neutral point tap at least a first DC voltage in a first AC voltage, the
  • Transformer is provided, is transformed by this into a second AC voltage and from a transformer on the secondary side
  • the downstream rectifier is transferred to the outgoing second electrical DC voltage.
  • the first number of turns of the primary side of the transformer is greater than the second number of turns of the secondary side.
  • the first alternating voltage has an amplitude with a first value and a frequency with a first value
  • the second alternating voltage has an amplitude with a second value and a frequency with a second value.
  • the first value of the amplitude of the first alternating voltage is usually set greater than the second value of the amplitude of the second alternating voltage.
  • the first value of the frequency of the first alternating voltage is usually smaller than the second value of the frequency of the second
  • the first value of the amplitude of the first alternating voltage is smaller than the second value of the second alternating voltage. It is also possible that the value of the frequency of the first
  • AC voltage is greater than the value of the frequency of the second AC voltage.
  • Transducer topology realized without galvanic isolation. It is conceivable that a converter from the group consisting of: buck converter, boost converter, buck-boost converter, boost-buck converter is selected as a DC-DC converter.
  • Multilevel converter nearest individual modules of the multilevel converter
  • Multilevel converter the first subnet several, for example, three, to each other
  • the multi-level converter comprising a plurality of individual modules with energy stores is designed and / or designated as an energy store or energy source, with the consumers of the subnets being provided with different voltages.
  • consumers of the first sub-network AC voltages are consumers of the first sub-network AC voltages with each
  • the DC-DC converter comprises a transformer, wherein the primary side of which is assigned to the first subnet and whose secondary side is assigned to the second subnet.
  • the transformer is on its primary side
  • Star point modules i. is taken from the respective nearest the two star points nearest individual modules tapped DC voltage in the first AC voltage.
  • the first AC voltage is transferred from the transformer to a second one
  • the multilevel converter has a plurality of distributed individual modules, wherein a DC voltage or an AC voltage is provided by an energy store of a respective individual module, wherein in the event that a DC voltage is provided by a respective energy store, this DC voltage is converted by the multilevel converter into an AC voltage.
  • the multilevel converter or multistage converter according to the invention which may also be referred to as multilevel converter, is to be arranged in an electrical network which comprises a first subnetwork and a second subnetwork, wherein the two subnetworks are to be connected to one another via at least one DC-DC converter.
  • a first connection side of the at least one DC-DC converter is the first subnet and a second terminal side of the at least one DC-DC converter is assigned to the second subnet or assigned.
  • the multilevel converter is to be arranged in the first subnetwork.
  • the multilevel converter has a plurality of individual modules, wherein each individual module has an electrical energy store, wherein the multilevel converter is configured to provide the first subnet at least one primary AC voltage and a double star point tap on the first terminal side of the at least one DC-DC converter
  • the DC converter to provide at least a first DC voltage to be transformed by the at least one DC-DC converter to an outgoing second DC electrical voltage and the second subnet is to provide.
  • the double star point tap is via a first connection to a first
  • the multilevel converter is assigned a control unit which is designed to set values of at least one physical parameter, for example an amplitude and / or a frequency, of the at least one primary AC voltage and / or the first DC voltage. Depending on the definition, this control unit is designed and / or designated as a component of the multilevel converter. Furthermore, at least two individual modules of the multilevel converter, usually all individual modules, are the same. The multilevel converter is designed to supply the at least one primary AC voltage from a single voltage from an energy source or a
  • the multilevel converter is designed to switch at least two individual modules in series and / or parallel to one another, and the at least one primary
  • the multilevel converter has a plurality of, for example, three strands, wherein each strand has a combination of a plurality of interconnected, usually identically designed individual modules, wherein a primary alternating voltage and thus phase is to be generated with each strand.
  • the value of the amplitude of the respective primary alternating voltage is set depending on which individual module of a respective strand is switched on or off and how several switched individual modules of the strand are connected to each other in series and / or in parallel.
  • the energy storage of the individual modules are usually designed as DC voltage sources.
  • the multilevel converter has at least one converter which is designed to generate a single voltage of a DC voltage
  • the DC-DC converter is an integral part of
  • the DC-DC converter comprises a transformer whose primary side is assigned to the first subnet and whose secondary side is assigned to the second subnet.
  • the transformer is an inverter or
  • Inverter upstream which is designed to convert the tapped from the star point modules or tapped first DC voltage into a first AC voltage and provide the primary side of the transformer.
  • the transformer has a high-pass characteristic, wherein by the
  • the energy supply system comprises an electrical network comprising a first subnetwork and a second subnetwork, which has at least one
  • a first connection side of the at least one DC-DC converter is assigned to the first sub-network and a second connection side of the at least one DC-DC converter to the second subnet, the first subnet having a multilevel converter with a plurality of individual modules, each individual module having an electrical energy store.
  • the first terminal side of the at least one DC-DC converter is at least a double star point tap to the multilevel converter connected, wherein the double star point tap is realized via a first connection to a first neutral point of the multilevel converter and a second connection to a second neutral point of the multilevel converter.
  • the IVIultilevelkonverter is adapted to provide at least one primary AC electrical voltage to the first subnetwork, and at the first terminal side of the at least one
  • the at least one DC-DC converter is adapted to the at least one first DC voltage to an outgoing second electrical
  • the DC-DC converter comprises a transformer which galvanically separates the first sub-network and the second sub-network, wherein a primary side of the transformer with a first number of turns of the first subnet and a secondary side of
  • Transformer with a second number of turns is assigned to the second subnet.
  • the transformer is preceded by an inverter on the primary side, which is designed to convert the at least a first DC voltage to be taken over the double star point tap into a first AC voltage and the
  • the transformer is configured to transform the first AC voltage provided by the inverter into a second AC voltage, wherein the transformer on the secondary side, at least one rectifier is connected downstream, which is adapted to provide the second AC voltage provided by the transformer in the outgoing second electrical
  • the transformer greater than the second number of turns of a coil of the secondary side of the transformer.
  • the first number of turns of the coil of the primary side is smaller than the second number of turns of the coil of the secondary side.
  • Gleichhardswandller a converter topology without galvanic isolation on.
  • the DC-DC converter is a converter from the group consisting of: buck converter, boost converter, buck-boost converter, boost-buck converter.
  • the double star point tap is over a respective immediate or indirect
  • the energy supply system is, for example, to be arranged in a motor vehicle.
  • the first subnet is to be assigned as consumer an electrical machine which has a plurality of phases, wherein the multilevel converter is designed to provide a primary alternating voltage for each phase.
  • Energy supply system consumers of the network ie at least one consumer of the first subnet, which is usually designed as an electrical machine, and at least one consumer of the second subnet to be supplied with electrical energy.
  • an electrical machine is operated as an electric motor with which electrical energy is converted into mechanical energy.
  • this electrical machine is operated as an electric generator depending on the requirement.
  • the energy supply system and the network are provided for a motor vehicle, the network is also designed as an on-board network of the motor vehicle.
  • the two subnetworks are designed and / or designated as partial subsystems of the motor vehicle which are to be operated with voltages whose amplitudes or maximum values are of different sizes.
  • the electrical machine is designed as a consumer of the first subnetwork whose voltage has an amplitude of a large value, if it is operated as an electric motor, for driving or moving the motor vehicle. If the electric machine is alternatively operated as an electrical generator, this mechanical energy of the motor vehicle, for example. In a recuperation, to convert into electrical energy, while providing electrical energy to be stored in an energy storage of the electrical network.
  • a consumer of the second subnetwork, whose voltage is usually lower, is, for example.
  • the proposed method according to the invention is to be carried out with the multilevel converter and / or the power supply system, the method having the
  • Multilevel converter and / or the power supply system to control and thus to control and / or to regulate.
  • the multilevel converter is designed as a high-voltage multilevel converter if the first subnetwork is to be operated with a higher voltage than the at least one second subnetwork.
  • the value of the frequency of the at least one primary alternating voltage, which is provided by the multilevel converter and with which the load of the first subnetwork is to be supplied, is generally comparatively low and amounts to a maximum of two kilohertz.
  • the multilevel converter is designed, for example, as a modular multilevel converter (MMC) or MMSPC.
  • MMC modular multilevel converter
  • MMSPC One trained as MMSPC
  • Multilevel converter is in the publication “Modular Multilevel Converter with Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control. "(IEEE Transaction on Power
  • the at least one primary alternating voltage to be generated has a high degree of dynamics.
  • the value of the amplitude of the at least one primary AC voltage is in the size range of> 200V.
  • a high-pass characteristic of the transformer provided in the embodiment is to be set by selecting a value of an inductance of at least one of the two coils or of the transformer, wherein the inductance of the respective coil is dependent on its number of turns.
  • the excitation of the transformer is set by the value of the frequency and / or the amplitude of the first AC voltage provided by the multilevel converter via the inverter upstream of the transformer.
  • Rectifiers connected to the at least one rectifier turn at least one load of the second subnet is connected, wherein the output of the transformer provided by the second alternating voltage is converted by the at least one rectifier into the second DC voltage.
  • the at least one rectifier is usually active or passive and generally has at least one DC control stage, which is embodied, for example, as a Buck, Boost, or Buck Boost stage. Furthermore, the rectifier can be followed by an inverter to realize an output of 110V or 240V.
  • the topology formed by the at least one rectifier is at least one pulse or multi-pulse, for example one-pulse to twelve-pulse. To actively control the at least one
  • Rectifier is, for example, to use as a field effect transistor (FET) formed semiconductor device.
  • FET field effect transistor
  • passive rules for example, at least one diode is to be used.
  • the first subnetwork as the high-voltage power supply network and the second subnetwork as
  • the second subnetwork in design has at least one own energy store, for example a capacitor and / or a battery.
  • An average power requirement of the first subnetwork is a multiple, for example a factor of five, higher than the average power requirement of the second subnetwork. If the power supply system and thus the electrical network for a motor vehicle is used, the average power requirement of the second subnetwork with a maximum voltage of, for example, 12V, 24V, 48V, 400V, 800V is 1 to 3 kW.
  • the power requirement of the first subnetwork depending on the configuration of the motor vehicle to be driven for its drive, for example, 20 kW to 400 kW.
  • Star point tap of the first DC voltage from the Mulitlevelkonverter or from its neutral point modules power is removed from the first subnet.
  • the first DC voltage to be tapped or tapped is via a dynamic power control of the first subnetwork essentially to compensate.
  • the voltage tap becomes relative to reference points of the multilevel converter carried out. These reference points correspond to respective star points of the multiphase multilevel converter or multilevel converter.
  • the tap of the at least one first DC voltage is in this case between each
  • Multilevel converter i. performed at all stages, with a uniform
  • Load distribution takes place on all strands of the multilevel converter.
  • multilevel converter or multilevel converter is to provide a primary AC voltage, which has a low distortion, which disturbances of other electrical devices are avoided.
  • Subnetwork electrical energy provided by the multilevel converter is used by the electric machine to drive the motor vehicle. It is possible, the electric machine starting from the multilevel converter
  • the multilevel converter is, for example, as a neutral-point-clamped (NPC) converter, which has a neutral at a neutral point, as a flying capacitor, as a modular neutral-point-clamped (NPC) converter, which has a neutral at a neutral point, as a flying capacitor, as a modular neutral-point-clamped (NPC) converter, which has a neutral at a neutral point, as a flying capacitor, as a modular neutral-point-clamped (NPC) converter, which has a neutral at a neutral point, as a flying capacitor, as a modular
  • NPC neutral-point-clamped
  • Multilevel converter or designed as MMSPC, with each of which, for example, alternating or three-phase voltages for at least one electric machine for driving a motor vehicle can be provided.
  • Such provided for supply voltage has a value in the high-voltage range greater than 60 volts, usually greater than 200 volts and is usually from several energy storage, eg. High-voltage storage, fed.
  • At least one output of the multilevel converter is galvanically isolated from the at least one high-voltage storage. If the multilevel converter has several outputs, these are also galvanically isolated from each other.
  • the first subnet is designed and / or designated as a high voltage system.
  • the second subnet is called
  • Low-voltage system formed and / or to designate the other Consumers, eg. Lighting equipment, ancillaries, control or
  • the second subnetwork has, for example, a maximum voltage of 12 V, 24 V, 48 V, 400 V, 800 V.
  • the first subnet has voltages of, for example, 110 V or 240 V.
  • the subnets are galvanically isolated from each other via the transformer, so that a possible semiconductor damage in the first subnet can not produce a conductive connection to the second subnet and thus, for example, no life-threatening touch voltage.
  • the multilevel converter used to provide the electrical energy has a low weight and requires only a small space.
  • the multilevel converter can be used to implement a galvanically isolated converter function with at least one inverter.
  • the modular multilevel converter for example, is embodied as an M2SPC (modular multilevel parallel-serial converter) and comprises capacitors and / or batteries as multiple energy stores or components of the individual modules of the multilevel converter.
  • the multilevel converter which comprises several individual modules, is considered to be more central
  • Multilevel converter within the first subnet to generate a high voltage.
  • Multilevel converter is provided with the DC-DC converter for the second subnet a comparatively low voltage, these two subnets are separated from each other via the DC-DC converter.
  • Multilevel converter provided voltage is subject to only slight fluctuations. With the multilevel converter several batteries can be dynamically reconfigured as energy storage and thus also be used for a motor vehicle.
  • the AC voltage for the first subnetwork the high value of the voltage has generated.
  • the second subnet is connected via the DC-DC converter to the first subnet, wherein an energy exchange is made possible between the two subnetworks.
  • the transformer provided as part of the DC-DC converter is supplied with electrical energy with the usually small first first AC voltage provided by the upstream inverter. This first AC voltage is generated via the first DC voltage, wherein it is possible via the provided double star point tap that the tapped first DC voltage substantially does not affect an operation of the electrical machine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of the energy supply system according to the invention.
  • the first embodiment of the multilevel converter 10 according to the invention shown schematically in FIG. 1 comprises a first strand 12 with four individual modules 14a, 14b, 14c, 14d, a second strand 16 with likewise four individual modules 18a, 18b, 18c, 18d
  • each of said strands 12, 16, 20 is designed, for example, as an MMC, MMSPC or Matroschka converter, which is described in the German patent application DE 10 2015 112 513.
  • 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d comprises at least one energy store, for example a capacitor or a battery, for which reason the multilevel converter 10 has a plurality of distributed energy stores.
  • energy store for example a capacitor or a battery
  • the multilevel converter 10 has a plurality of distributed energy stores.
  • energy storage of the individual modules 14a, 14b, 14c, 14d of the first strand energy is to be provided here to a first phase of an electrical machine.
  • a second phase of this electric machine is about the
  • the first subnetwork 42 comprises a second embodiment of the multilevel converter 45 according to the invention, which in turn has three strands 47, 49, 51 or arms connected in parallel to each other, a first such strand 47 a first single module 48a, a second single module 48b, a third single module 48c and a fourth one
  • a second strand 49 of the multilevel converter 45 has a first individual module 50a, a second individual module 50b, a third individual module 50c and a fourth individual module 50d on.
  • the multilevel converter 45 comprises a third strand 51 having a first individual module 52a, a second individual module 52b, a third individual module 52c and a fourth individual module 52d.
  • all the individual modules 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d each have an energy store designed as a battery or as a capacitor.
  • one strand 47, 49, 51 of the multilevel converter 42 is assigned to a phase of a total of three phases U, V, W of an electrical load 58, which is embodied here as an electrical machine 10.
  • the second strand 49 is associated with the individual modules 50a, 50b, 50c, 50d.
  • the third phase W of the load 58 of the third strand 51 is associated with the individual modules 52a, 52b, 52c, 52d.
  • All individual modules 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d are of similar design and each have a similar energy storage, with each of which an alternating voltage is to provide whose amplitude has the same value , Depending on what value the amplitude of the AC voltage should have, which is to provide a respective phase U, V, W, is or be of the
  • control unit 54 within a respective strand 47, 49, 51 at least one
  • Single module 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d generally a plurality of individual modules 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d activated, whereby, depending on the value of the amplitude of the alternating voltage to be provided, for example at least two individual modules 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a,
  • the first subnet 42 is operated with a voltage which is higher than a second voltage of the second subnet 34.
  • Both subnetworks 42, 34 are connected to each other here via a galvanically isolating transformer 60, wherein the primary side of the transformer 60 is assigned to the first subnetwork 42 and a secondary side of the transformer 60 to the second subnetwork 34.
  • the transformer 60 is connected downstream of a rectifier 62 within the second subnetwork 34, to which an energy store 64 is connected.
  • a first neutral point 66 and a second neutral point 67 are defined for the multilevel converter 45.
  • Each of the three strands 47, 49, 51 is above each one
  • a first DC voltage is tapped.
  • the thus tapped first DC voltage is then fed to an inverter 55, which converts the first DC voltage into a first AC voltage and the
  • Transformer 60 provides. The primary side of the transformer 60 is connected to the inverter 55. The secondary side of the transformer 60 is connected to the downstream rectifier 62. The transformer 60 transforms the first AC voltage into a second AC voltage, which is converted via the downstream rectifier 62 into a second DC voltage. The second DC voltage is provided to the second subsystem 34 and supplied to the energy storage 64 here.
  • the series connection of inverter 55, transformer 60 and rectifier 62 shown here implements a DC-DC converter which electrically separates the first sub-network 42 and the second sub-network 34.
  • the galvanic isolation is ensured here by the transformer 60.
  • the galvanic isolation ensures that a possible semiconductor damage in the first sub-network 42 can not produce a conductive connection to the second sub-network 34 and thus, for example, no perilous touch voltage.
  • a three-phase system is provided with the individual modules 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d, of the respective strand 47, 49, 51.
  • the first strand 47 of a first phase U, the second strand 49 of a second phase V and the third strand 51 of a third phase W of the consumer 58 is assigned.
  • a respective potential of the star points 66, 67 is not clearly defined, but adjusted to a respective midpoint voltage of the three phases U, V, W.
  • the second embodiment of the energy supply system 70 according to the invention shown schematically in FIG. 3, comprises a first subnetwork 72 and a second subnetwork 74.
  • the first subnetwork 72 comprises a third embodiment of the multilevel converter 75 according to the invention. It is provided that the third embodiment of the multilevel converter 75 is largely identical in construction to The second embodiment of the multilevel converter 45 is formed.
  • the second embodiment of the power supply system 70 differs from the first embodiment of Figure 2 in that a located between the first subnet 72 and the second subnet 74 DC-DC converter 65 is not realized by a series connection of inverter, transformer and rectifier, but here as a DC-DC converter 65 is carried out without galvanic isolation.
  • a DC-DC converter 65 is carried out without galvanic isolation.
  • one of the two star points 66, 67, here star point 66 is grounded directly, while the other star point, here star point 67, is connected to an energy store in the form of an inductor or coil 61.
  • a DC-DC converter 65 is realized via the circuit of coil 61 and MOSFETs 63a, 63b.
  • the MOSFETs 63a and 63b are here connected in series with each other, wherein the two MOSFETs 63a, 63b are each regulated at least against the potential of neutral point 66.
  • the source terminals of the MOSFETs 63a and 63b face each other.
  • the drain terminal of the MOSFET 63a is connected to the coil 61, and the drain of the MOSFET 63b is connected to the positive terminal of the energy storage 64.
  • Star point modules 48a, 50a, 52a tapped first DC voltage across the coil 61 and the two MOSFETs 63a, 63b converted into a second DC voltage, which is the second sub-network 74 is provided.
  • Embodiment to achieve higher efficiency, combined with a smaller space requirement and lower costs.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzes, das ein erstes Teilnetz (42) und ein zweites Teilnetz (34) umfasst, die über mindestens einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden werden, wobei das erste Teilnetz (42) einen Multilevelkonverter (45) mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen (48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers über mindestens eine doppelten Sternpunktabgriff an den Multilevelkonverter (45) angeschlossen wird, wobei der doppelte Sternpunktabgriff über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters realisiert wird, wobei von dem Multilevelkonverter (45) mindestens eine primäre elektr. Wechselspannung dem ersten Teilnetz (42) bereitgestellt wird, und an der ersten Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers über den doppelten Sternpunktabgriff mindestens eine erste elektrische Gleichspannung abgegriffen wird, die dem mindestens einen Gleichspannungswandler bereitgestellt wird, und von dem mindestens einen Gleichspannungswandler auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung transformiert wird, die dem zweiten Teilnetz (34) bereitgestellt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzes, einen Multilevelkonverter und ein Energieversorgungssystem.
Ein elektrisches Netz kann mehrere Energiequellen aufweisen, über die mehreren Verbrauchern, die mit dem elektrischen Netz verbunden sind, elektrische Energie bereitstellbar ist. Hierbei ist es weiterhin möglich, dass das elektrische Netz in mehrere Teilnetze unterteilt ist, denen jeweils unterschiedliche Energiequellen sowie Verbraucher zugeordnet sind. Die unterschiedlichen Teilnetze können unterschiedliche Spannungen aufweisen, mit denen die Teilnetze zu betreiben sind, wobei diese unterschiedlichen Spannungen unterschiedliche Amplituden und/oder unterschiedliche maximale Werte aufweisen. Zwei hierbei miteinander verbundene Teilnetze mit unterschiedlichen
Spannungen sind über einen Spannungswandler, bspw. einen Gleichspannungswandler oder einen Wechselspannungswandler, miteinander verbunden.
Aus der Druckschrift US 5 093 583 A ist ein elektrisches System für ein Kraftfahrzeug bekannt, das ein Niederspannungsnetz sowie ein Hochspannungsnetz umfasst. Hierbei wird von einem Generator eine Niedervoltspannung erzeugt, die das
Niederspannungsnetz sowie einen Transformator des Kraftfahrzeugs speist. Dieser Transformator ist dazu ausgebildet, die Niedervoltspannung in eine Hochvoltspannung zu wandeln, mit der parallel zu Verbrauchern des Niederspannungsnetzes auch Verbraucher des Hochspannungsnetzes zu betreiben sind. Ein Verfahren zum Versorgen eines Elektromotors mit einem Wechselstrom ist in der Druckschrift US 2010 0 140 003 AI beschrieben. Hierbei wird je nach Anforderung des Elektromotors diesem über mindestens eine Pulsweitenmodulation eine elektrische Spannung bereitgestellt, wobei zwischen mehreren Arten, bspw. drei Arten, einer jeweils zu verwendenden Pulsweitenmodulation ausgewählt wird. Aus der Druckschrift US 2013 0 106 365 AI ist bekannt, einen Energiespeicher eines elektrischen Kraftfahrzeugs über eine externe Energiequelle aufzuladen. Dabei ist es möglich, den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs mit der externen Energiequelle galvanisch getrennt oder direkt aufzuladen.
Ein Brennstoffzellensystem, über das elektrische Lasten mit elektrischer Energie zu versorgen sind, ist in der Druckschrift US 2014 0 152 089 AI beschrieben. Hierbei ist zwischen jeweils einer Brennstoffzelle und jeweils einer elektrischen Last ein
Wechselrichter angeordnet, der dazu ausgebildet ist, eine von der jeweiligen Last benötigte mehrphasige Hochvoltspannung zu erzeugen, wobei störende Geräusche durch Auswahl einer Differenz von Phasen der Hochvoltspannungen vermieden werden.
Aus der Druckschrift US 2014 0 225 432 AI ist ein Stromwandler bekannt, der drei Spulen umfasst und zum Austausch von elektrischer Energie zwischen verschiedenen Spannungsquellen und Spannungsnetzen eines elektrischen Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. der Spannungen mit
unterschiedlichen maximale Werten zu erzeugen sind, wobei ein erster Verbraucher, dem eine erste Spannung mit einem ersten Wert bereitzustellen ist, durch eine zweite
Spannung mit einem zweiten Wert, der einem zweiten Verbraucher bereitzustellen ist, nicht gestört wird. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , einem
Multilevelkonverter gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8 sowie einem
Energieversorgungssystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 16 gelöst.
Ausgestaltungen des Verfahrens, des Multilevelkonverters und des
Energieversorgungssystems ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines elektrischen Netzes vorgesehen, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, die über mindestens einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden werden. Dabei wird eine erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem ersten Teilnetz und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem zweiten Teilnetz zugeordnet. Das erste Teilnetz weist einen Multilevelkonverter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen auf, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die erste Anschlussseite des mindestens einen
Gleichspannungswandlers über mindestens einen doppelten Sternpunktabgriff an den Multilevelkonverter angeschlossen wird. Der doppelte Sternpunktabgriff wird dabei über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters realisiert. Von dem Multilevelkonverter wird mindestens eine primäre elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz bereitgestellt. An der ersten Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers wird ferner über den doppelten Sternpunktabgriff mindestens eine erste elektrische Gleichspannung abgegriffen, die dem mindestens einen
Gleichspannungswandler bereitgestellt wird, und von dem mindestens einen
Gleichspannungswandler auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung transformiert wird, die dem zweiten Teilnetz bereitgestellt wird.
In möglicher Ausgestaltung umfasst der Gleichspannungswandler einen Transformator, der das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz galvanisch voneinander trennt, wobei eine Primärseite des Transformators mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz und eine Sekundärseite des Transformators mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz zugeordnet wird. Dem Transformator ist auf der Primärseite ein Inverter vorgeschaltet, der die über den doppelten Sternpunktabgriff abgegriffene mindestens eine erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung überführt, die dem
Transformator bereitgestellt wird, von diesem in eine zweite Wechselspannung transformiert wird und von einem dem Transformator auf der Sekundärseite
nachgeschalteten Gleichrichter in die ausgehende zweite elektrische Gleichspannung überführt wird. Üblicherweise ist die erste Windungszahl der Primärseite des Transformators größer als die zweite Windungszahl der Sekundärseite. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Wechselspannung eine Amplitude mit einem ersten Wert und eine Frequenz mit einem ersten Wert aufweist, und dass die zweite Wechselspannung eine Amplitude mit einem zweiten Wert und eine Frequenz mit einem zweiten Wert aufweist. Dabei wird der erste Wert der Amplitude der ersten Wechselspannung üblicherweise größer als der zweite Wert der Amplitude der zweiten Wechselspannung eingestellt. Der erste Wert der Frequenz der ersten Wechselspannung wird üblicherweise kleiner als der zweite Wert der Frequenz der zweiten
Wechselspannung eingestellt. Alternativ ist möglich, dass der erste Wert der Amplitude der ersten Wechselspannung kleiner als der zweite Wert der zweiten Wechselspannung ist. Außerdem ist auch möglich, dass der Wert der Frequenz der ersten
Wechselspannung größer als der Wert der Frequenz der zweiten Wechselspannung ist.
In alternativer Ausgestaltung wird der Gleichspannungswandller mit einer
Wandlertopologie ohne galvanische Trennung realisiert. Dabei ist es denkbar, dass als Gleichspannungswandler ein Wandler aus der Gruppe bestehend aus: Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter, Boost-Buck- Konverter gewählt wird.
In weiterer Ausgestaltung wird über den doppelten Sternpunktabgriff ein jeweiliger unmittelbarer oder mittelbarer Abgriff an den elektrischen Energiespeichern von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt und dem zweiten Sternpunkt des
Multilevelkonverters nächstliegenden Einzelmodulen des Multilevelkonverters
vorgenommen. Diese Einzelmodule, von denen bzw. von deren Energiespeichern die mindestens eine erste Gleichspannung abgegriffen wird, werden im Folgenden als Sternpunktmodule bezeichnet. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden von dem
Multilevelkonverter dem ersten Teilnetz mehrere, bspw. drei, zueinander
phasenverschobene primäre Wechselspannungen bzw. Phasen bereitgestellt. Der mehrere Einzelmodule mit Energiespeichern umfassende Multilevelkonverter ist als Energiespeicher bzw. Energiequelle ausgebildet und/oder zu bezeichnen, mit dem Verbrauchern der Teilnetze unterschiedliche Spannungen bereitgestellt werden. Hierbei werden Verbrauchern des ersten Teilnetzes Wechselspannungen mit jeweils
bedarfsgerecht angepassten Amplituden und Frequenzen bereitgestellt.
Weiterhin wird Verbrauchern des zweiten Teilnetzes über den Gleichspannungswandler eine ausgehende zweite Gleichspannung bereitgestellt, deren Größe an einen von Verbrauchern des zweiten Teilnetzes geforderten Bedarf einzustellen ist. In Ausgestaltung umfasst der Gleichspannungswandler, wie voranstehend erläutert, einen Transformator, wobei dessen Primärseite dem ersten Teilnetz und dessen Sekundärseite dem zweiten Teilnetz zugeordnet ist. Dem Transformator ist dabei auf seiner Primärseite ein
Wechselrichter vorgeschaltet, von dem die erste von den sogenannten
Sternpunktmodulen, d.h. von den jeweiligen den beiden Sternpunkten nächstgelegenen Einzelmodulen abgegriffene Gleichspannung in die erste Wechselspannung überführt wird. Die erste Wechselspannung wird von dem Transformator in eine zweite
Wechselspannung transformiert, wobei deren Frequenz und deren Amplitude von der Frequenz und Amplitude der ersten Wechselspannung sowie von einem Verhältnis der beiden Windungszahlen des Transformators abhängig ist. Außerdem weist der Multilevelkonverter mehrere verteilte Einzelmodule auf, wobei von einem Energiespeicher eines jeweiligen Einzelmoduls eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung bereitgestellt wird, wobei für den Fall, dass von einem jeweiligen Energiespeicher eine Gleichspannung bereitgestellt wird, diese Gleichspannung von dem Multilevelkonverter in eine Wechselspannung gewandelt wird. Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter bzw. mehrstufige Konverter, der auch als Multilevelumrichter zu bezeichnen ist, ist in einem elektrischen Netz anzuordnen, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, wobei die beiden Teilnetze über mindestens einen Gleichspannungswandler miteinander zu verbinden sind. Eine erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers ist dem ersten Teilnetz und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers ist dem zweiten Teilnetz zuzuordnen bzw. zugeordnet. Der Multilevelkonverter ist in dem ersten Teilnetz anzuordnen. Der Multilevelkonverter weist eine Mehrzahl von Einzelmodulen aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei der Multilevelkonverter dazu ausgebildet ist, dem ersten Teilnetz mindestens eine primäre Wechselspannung bereitzustellen und über einen doppelten Sternpunktabgriff an der ersten Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem
Gleichspannungswandler mindestens eine erste Gleichspannung bereitzustellen, die von dem mindestens einen Gleichspannungswandler auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung zu transformieren ist und dem zweiten Teilnetz bereitzustellen ist. Der doppelte Sternpunktabgriff ist dabei über einen ersten Anschluss an einen ersten
Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters zu realisieren bzw. realisiert. In möglicher Ausgestaltung ist der Gleichspannungswandler vollständig oder zumindest teilweise in den Multilevelkonverter integriert, d. h. alle oder manche Komponenten des Gleichspannungswandlers sind zugleich auch Komponenten des Multilevelkonverters.
Dem Multilevelkonverter ist eine Kontrolleinheit zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, Werte von mindestens einem physikalischen Parameter, bspw. einer Amplitude und/oder einer Frequenz, der mindestens einen primären Wechselspannung und/oder der ersten Gleichspannung einzustellen. Je nach Definition ist diese Kontrolleinheit als Komponente des Multilevelkonverters ausgebildet und/oder zu bezeichnen. Weiterhin sind mindestens zwei Einzelmodule des Multilevelkonverters, in der Regel sämtliche Einzelmodule, gleich ausgebildet. Der Multilevelkonverter ist dazu ausgebildet, die mindestens eine primäre Wechselspannung aus einer Einzelspannung von einer Energiequelle bzw. einem
Energiespeicher mindestens eines Einzelmoduls zu erzeugen bzw. bereitzustellen, wobei mehrere primäre Wechselspannungen einander überlagert und/oder zueinander zeitlich phasenverschoben werden.
Außerdem ist der Multilevelkonverter dazu ausgebildet, mindestens zwei Einzelmodule in Reihe und/oder zueinander parallel zu schalten, und die mindestens eine primäre
Wechselspannung aus einer Kombination von Einzelspannungen der mindestens zwei miteinander zu kombinierenden Einzelmodule bereitzustellen. Hierbei werden einzelne Einzelmodule je nach Bedarf eingeschaltet oder ausgeschaltet.
Der Multilevelkonverter weist mehrere, bspw. drei Stränge auf, wobei jeder Strang eine Kombination aus mehreren miteinander verschalteten, üblicherweise gleich ausgebildeten Einzelmodulen aufweist, wobei mit jedem Strang jeweils eine primäre Wechselspannung und somit Phase zu erzeugen ist. Der Wert der Amplitude der jeweiligen primären Wechselspannung wird abhängig davon, welches Einzelmodul eines jeweiligen Stranges ein- oder ausgeschaltet ist und wie mehrere eingeschaltete Einzelmodule des Strangs zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, eingestellt.
Die Energiespeicher der Einzelmodule sind in der Regel als Gleichspannungsquellen ausgebildet. Der Multilevelkonverter weist mindestens einen Wandler auf, der dazu ausgebildet ist, eine als Gleichspannung ausgebildete Einzelspannung eines
Energiespeichers mindestens eines Einzelmoduls in eine Wechselspannung umzuwandeln und daraus die mindestens eine primäre Wechselspannung bereitzustellen.
Dabei ist über den doppelten Sternpunktabgriff ein jeweiliger unmittelbarer oder mittelbarer Abgriff an den elektrischen Energiespeichern von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt und dem zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters nächstliegenden Einzelmodulen des Multilevelkonverters, d.h. von den Sternpunktmodulen des
Multilevelkonverters vorzunehmen.
In Ausgestaltung ist der Gleichspannungswandler integrativer Teil des
Multilevelkonverters.
Der Gleichspannungswandler umfasst in Ausgestaltung einen Transformator, dessen Primärseite dem ersten Teilnetz und dessen Sekundärseite dem zweiten Teilnetz zugeordnet ist. Auf der Primärseite ist dem Transformator ein Wechselrichter bzw.
Inverter vorgeschaltet, der dazu ausgebildet ist, die von den Sternpunktmodulen abzugreifende bzw. abgegriffene erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung zu überführen und der Primärseite des Transformators bereitzustellen.
Das bedeutet, dass die Primärseite des Transformators durch die erste
Wechselspannung, d. h. durch die von dem Wechselrichter bereitgestellte
Wechselspannung, angeregt wird.
Der Transformator weist eine Hochpasscharakteristik auf, wobei durch den
Transformator aus der ersten Wechselspannung nur Anteile berücksichtigt und auf die zweite Wechselspannung transformiert werden, die mindestens so groß wie eine
Grenzfrequenz sind.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem umfasst ein elektrisches Netz, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, die über mindestens einen
Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind. Dabei ist eine erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem ersten Teilnetz und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem zweiten Teilnetz zugeordnet, wobei das erste Teilnetz einen Multilevelkonverter mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Die erste Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers ist über mindestens eine doppelten Sternpunktabgriff an den Multilevelkonverter angeschlossen, wobei der doppelte Sternpunktabgriff über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters realisiert ist. Der IVIultilevelkonverter ist dazu ausgebildet, mindestens eine primäre elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz bereitzustellen, und an der ersten Anschlussseite des mindestens einen
Gleichspannungswandlers über den doppelten Sternpunktabgriff dem mindestens einen Gleichspannungswandler mindestens eine erste elektrische Gleichspannung
bereitzustellen. Der mindestens eine Gleichspannungswandler ist dazu ausgebildet, die mindestens eine erste Gleichspannung auf eine ausgehende zweite elektrische
Gleichspannung zu transformieren und dem zweiten Teilnetz bereitzustellen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems umfasst der Gleichspannungswandler einen Transformator, der das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz galvanisch voneinander trennt, wobei eine Primärseite des Transformators mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz und eine Sekundärseite des
Transformators mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz zugeordnet ist. Dabei ist dem Transformator auf der Primärseite ein Inverter vorgeschaltet, der dazu ausgebildet ist, die über den doppelten Sternpunktabgriff abzugreifende mindestens eine erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung zu überführen und dem
Transformator bereitzustellen. Der Transformator ist dazu ausgebildet, die von dem Inverter bereitgestellte erste Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung zu transformieren, wobei dem Transformator auf der Sekundärseite mindestens ein Gleichrichter nachgeschaltet ist, der dazu ausgebildet ist, die von dem Transformator bereitgestellte zweite Wechselspannung in die ausgehende zweite elektrische
Gleichspannung zu überführen.
In Ausgestaltung ist die erste Windungszahl einer Spule der Primärseite des
Transformators größer als die zweite Windungszahl einer Spule der Sekundärseite des Transformators. Alternativ ist denkbar, dass die erste Windungszahl der Spule der Primärseite kleiner als die zweite Windungszahl der Spule der Sekundärseite ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der
Gleichspannungswandller eine Wandlertopologie ohne galvanische Trennung auf.
Dabei ist es denkbar, dass der Gleichspannungswandler ein Wandler aus der Gruppe bestehend aus: Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter, Boost-Buck- Konverter ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems ist der doppelte Sternpunktabgriff über einen jeweiligen unmittelbaren oder mittelbaren
Anschluss des ersten Sternpunkts und des zweiten Sternpunkts an die elektrischen Energiespeicher von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt und dem zweiten
Sternpunkt des Multilevelkonverters nächstliegenden Einzelmodulen des
Multilevelkonverters, d.h. von den Sternpunktmodulen zu realisieren. Das Energieversorgungssystem ist bspw. in einem Kraftfahrzeug anzuordnen.
Weiterhin ist dem ersten Teilnetz als Verbraucher eine elektrische Maschine zuzuordnen, die mehrere Phasen aufweist, wobei der Multilevelkonverter dazu ausgebildet ist, jeder Phase jeweils eine primäre Wechselspannung bereitzustellen.
Der vorgestellte erfindungsgemäße Multilevelkonverter ist in Ausgestaltung als
Komponente des vorgestellten erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems ausgebildet, wobei mit dem Multilevelkonverter und/oder dem
Energieversorgungssystem Verbraucher des Netzes, d. h. mindestens ein Verbraucher des ersten Teilnetzes, der üblicherweise als elektrische Maschine ausgebildet ist, sowie mindestens ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes mit elektrischer Energie zu versorgen sind. In Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, dass eine derartige elektrische Maschine als elektrischer Motor betrieben wird, mit dem elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, dass diese elektrische Maschine je nach Anforderung als elektrischer Generator betrieben wird. Falls das Energieversorgungssystem und das Netz für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sind, ist das Netz auch als Bordnetz des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Entsprechend sind die beiden Teilnetze als Teilbordnetze des Kraftfahrzeugs ausgebildet und/oder zu bezeichnen, die mit Spannungen zu betreiben sind, deren Amplituden bzw. maximale Werte unterschiedlich groß sind. In diesem Fall ist weiterhin vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Verbraucher des ersten Teilnetzes, dessen Spannung eine Amplitude mit einem großen Wert aufweist, sofern sie als elektrischer Motor betrieben wird, zum Antreiben bzw. Fortbewegen des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Falls die elektrische Maschine alternativ hierzu als elektrischer Generator betrieben wird, ist mit dieser mechanische Energie des Kraftfahrzeugs, bspw. bei einem Rekuperationsbetrieb, in elektrische Energie zu wandeln, wobei dabei bereitgestellte elektrische Energie in einem Energiespeicher des elektrischen Netzes zu speichern ist. Ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes, dessen Spannung in der Regel niedriger ist, ist bspw. zur
Durchführung einer Kontrollfunktion des Kraftfahrzeugs ausgebildet.
Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren ist mit dem Multilevelkonverter und/oder dem Energieversorgungssystem durchzuführen, wobei das Verfahren mit dem
Multilevelkonverter und/oder dem Energieversorgungssystem zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln ist.
In Ausgestaltung ist der Multilevelkonverter als Hochspanungs-Multilevelkonverter ausgebildet, falls das erste Teilnetz mit einer höheren Spannung als das mindestens eine zweite Teilnetz zu betreiben ist. Der Wert der Frequenz der mindestens einen primären Wechselspannung, die von dem Multilevelkonverter breitgestellt wird und mit der der Verbraucher des ersten Teilnetzes zu versorgen ist, ist in der Regel vergleichsweise niedrig und beträgt maximal zwei Kilohertz.
Der Multilevelkonverter ist bspw. als modularer Multilevelkonverter (modular multilevel Converter, MMC) oder MMSPC ausgebildet. Ein als MMSPC ausgebildeter
Multilevelkonverter ist in der Druckschrift "Modular Multilevel Converter with Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control."(IEEE Transaction on Power
Electronics) von S. M. Goetz, A. V. Peterchev und T. Weyh beschrieben.
In der Regel weist die mindestens eine zu erzeugende primäre Wechselspannung eine hohe Dynamik auf. Üblicherweise ist der Wert der Amplitude der mindestens einen primären Wechselspannung im Größenbereich von > 200V. Durch Kombination mehrerer primärer Wechselspannungen, die von dem Multilevelkonverter überlagert werden, ist ein sogenanntes Frequenzmultiplexing der primären Wechselspannungen möglich, wobei die derart miteinander kombinierten primären Wechselspannungen zum Versorgen des Verbrauchers des ersten Teilnetzes ausgehend von dem Multilevelkonverter zu versorgen sind. Die Amplitude und/oder Frequenz der primären Wechselspannungen werden an Erfordernisse des Verbrauchers des ersten Teilnetzes angepasst.
Eine Hochpasscharakteristik des in Ausgestaltung vorgesehenen Transformators ist durch Auswahl eines Werts einer Induktivität mindestens einer der beiden Spulen bzw. des Transformators einzustellen, wobei die Induktivität der jeweiligen Spule abhängig von ihrer Windungszahl ist.
Die Anregung des Transformators wird durch den Wert der Frequenz und/oder der Amplitude der ersten Wechselspannung, die von dem Multilevelkonverter über den dem Transformator vorgeschalteten Wechselrichter bereitgestellt wird, eingestellt.
Die Sekundärseite des in Ausgestaltung vorgesehenen Transformators ist dann mit mindestens einem Gleichrichter und somit ggf. einer Topologie aus mehreren
Gleichrichtern verbunden, wobei an dem mindestens einen Gleichrichter wiederum mindestens ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes angeschlossen ist, wobei die von dem Transformator bereitgestellte ausgehende zweite Wechselspannung von dem mindestens einen Gleichrichter in die zweite Gleichspannung umgewandelt wird. Der mindestens eine Gleichrichter ist üblicherweise aktiv oder passiv ausgebildet und weist in der Regel mindestens eine DC-Regelstufe auf, die bspw. als Buck,- Boost-, oder Buck- Boost-Stufe ausgebildet ist. Ferner kann dem Gleichrichter ein Inverter nachgeschaltet sein, um eine Ausgabe von 110V oder 240V zu realisieren. Die aus dem mindestens einen Gleichrichter gebildete Topologie ist zumindest einpulsig oder mehrpulsig, bspw. einpulsig bis zwölfpulsig ausgebildet. Zum aktiven Regeln des mindestens einen
Gleichrichters ist bspw. ein als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildeter Halbleiterbaustein zu verwenden. Zum passiven Regeln ist bspw. mindestens eine Diode zu verwenden.
Bei einer ersten möglichen Ausführungsform des Verfahrens, des Multilevelkonverters und/oder des Energieversorgungssystems ist vorgesehen, dass das erste Teilnetz als Hochspannungsversorgungsnetz und das zweite Teilnetz als
Niederspannungsversorgungsnetz ausgebildet ist. Dabei weist das zweite Teilnetz in Ausgestaltung mindestens einen eigenen Energiespeicher, bspw. einen Kondensator und/oder eine Batterie, auf. Ein durchschnittlicher Leistungsbedarf des ersten Teilnetzes ist hierbei um ein Vielfaches, bspw. einen Faktor fünf, höher als der durchschnittliche Leistungsbedarf des zweiten Teilnetzes. Falls das Energieversorgungssystem und somit das elektrische Netz für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, beträgt der durchschnittliche Leistungsbedarf des zweiten Teilnetzes mit einer maximalen Spannung von bspw. 12V, 24V, 48V, 400V, 800V 1 bis 3 kW. Dagegen beträgt der Leistungsbedarf des ersten Teilnetzes je nach Ausgestaltung des anzutreibenden Kraftfahrzeugs für dessen Antrieb bspw. 20 kW bis 400 kW.
Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen bzw. durchzuführenden doppelten
Sternpunktabgriff der ersten Gleichspannung von dem Mulitlevelkonverter bzw. von dessen Sternpunktmodulen wird Leistung dem ersten Teilnetz entzogen. Damit eine aktuelle Leistung des ersten Teilnetzes, die sich aus einem eigentlichen Soll-Strom- oder Soll-Spannungsverlauf auf Grundlage der mindestens einen primären Wechselspannung ergibt, einem aktuellen Regelsoll folgt, ist die abzugreifende bzw. abgegriffene erste Gleichspannung über eine dynamische Leistungsregelung des ersten Teilnetzes im Wesentlichen zu kompensieren. Durch Nutzung der Freiheitsgrade des Multilevelkonverters als physikalischer Schaltung wird der Spannungsabgriff relativ zu Referenzpunkten des Multilevelkonverters durchgeführt. Dabei entsprechen diese Referenzpunkte jeweiligen Sternpunkten des üblicherweise mehrphasigen Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters. Der Abgriff der mindestens einen ersten Gleichspannung wird hierbei zwischen jeweiligen
Anschlüssen der Sternpunktmodule an den beiden Sternpunkten durchgeführt. Der Gleichspannungsabgriff wird parallel an Anschlüssen aller Sternpunktmodule des
Multilevelkonverters, d.h. an allen Phasen durchgeführt, wobei eine gleichmäßige
Lastverteilung auf alle Stränge des Multilevelkonverters erfolgt.
Mit dem vorgestellten Multilevelkonverter bzw. Multilevelumrichter ist eine primäre Wechselspannung bereitzustellen, die eine geringe Verzerrung aufweist, wodurch Störungen anderer elektrischer Geräte vermieden werden. Innerhalb des ersten
Teilnetzes wird elektrische Energie, die von dem Multilevelkonverter bereitgestellt wird, von der elektrischen Maschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendet. Dabei ist es möglich, die elektrische Maschine ausgehend von dem Multilevelkonverter
spannungsgesteuert zu betreiben.
Der Multilevelkonverter ist bspw. als Neutral-Point-Clamped-(NPC)-Converter, der an einem Sternpunkt einen Neutralleiter aufweist, als Flying Capacitor, als modularer
Multilevelkonverter oder als MMSPC ausgebildet, mit denen jeweils bspw. Wechsel- oder Drehstromspannungen für mindestens eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden können. Eine derartige zur Versorgung vorgesehene Spannung weist einen Wert im Hochvoltbereich größer 60 Volt, üblicherweise größer 200 Volt auf und wird in der Regel aus mehreren Energiespeichern, bspw. Hochvoltspeichern, gespeist. Mindestens ein Ausgang des Multilevelkonverters ist von dem mindestens einen Hochvoltspeicher galvanisch getrennt. Falls der Multilevelkonverter mehrere Ausgänge aufweist, sind diese ebenfalls voneinander galvanisch getrennt.
Über das erste Teilnetz, das den Multilevelkonverter aufweist, ist die elektrische
Maschine mit Energie zu versorgen, wobei das erste Teilnetz als Hochspannungssystem ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist. Dagegen ist das zweite Teilnetz als
Niederspannungssystem ausgebildet und/oder zu bezeichnen, über das weitere Verbraucher, bspw. Beleuchtungseinrichtungen, Nebenaggregate, Kontroll- bzw.
Steuermodule oder Kommunikationseinrichtungen des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen sind. Das zweite Teilnetz weist bspw. eine maximale Spannung von 12 V, 24 V, 48 V, 400 V, 800 V auf. Dagegen weist das erste Teilnetz Spannungen von bspw. 110 V oder 240 V auf.
In möglicher Ausgestaltung sind die Teilnetze über den Transformator voneinander galvanisch getrennt, so dass ein eventueller Halbleiterschaden im ersten Teilnetz keine leitende Verbindung zu dem zweiten Teilnetz und damit bspw. keine lebensgefährliche Berührspannung erzeugen kann. Der zum Bereitstellen der elektrischen Energie verwendete Multilevelkonverter weist ein geringes Gewicht auf und benötigt nur einen geringen Bauraum. Über den Multilevelkonverter kann mit mindestens einem Umrichter eine galvanisch trennende Wandlerfunktion umgesetzt werden. Der bspw. modulare Multilevelkonverter ist in Ausgestaltung als M2SPC (modularer Multilevel-Parallel-Seriell- Konverter) ausgebildet und umfasst Kondensatoren und/oder Batterien als mehrere Energiespeicher bzw. Komponenten der Einzelmodule des Multilevelkonverters.
Der mehrere Einzelmodule umfassende Multilevelkonverter wird als zentraler
Energiespeicher des Energieversorgungssystems verwendet, wobei mit dem
Multilevelkonverter innerhalb des ersten Teilnetzes eine hohe Spannung zu erzeugen ist. Ausgehend von dem Gleichspannungsabgriff an Sternpunktmodulen des
Multilevelkonverters wird mit dem Gleichspannungswandler für das zweite Teilnetz eine hierzu vergleichsweise geringe Spannung bereitgestellt, wobei diese beiden Teilnetze über den Gleichspannungswandler voneinander getrennt sind. Die von dem
Multilevelkonverter bereitgestellte Spannung ist nur geringen Fluktuationen unterworfen. Mit dem Multilevelkonverter sind mehrere Batterien als Energiespeicher dynamisch rekonfigurierbar und somit auch für ein Kraftfahrzeug einzusetzen.
In Ausgestaltung wird mit dem üblicherweise modularen Multilevelkonverter aus mehreren Energiespeichern der Einzelmodule, die bspw. als Gleichspannungsquellen ausgebildet sind, die Wechselspannung für das erste Teilnetz, das den hohen Wert der Spannung aufweist, erzeugt. Bei dem vorgestellten Energieversorgungssystem wird das zweite Teilnetz über den Gleichspannungswandler mit dem ersten Teilnetz verbunden, wobei zwischen den beiden Teilenetzen ein Energieaustausch ermöglicht wird. Der in Ausgestaltung vorgesehene Transformator als Teil des Gleichspannungswandlers wird mit der üblicherweise geringen ersten durch den vorgeschalteten Inverter bereitgestellten ersten Wechselspannung mit elektrischer Energie versorgt. Diese erste Wechselspannung wird über die erste Gleichspannung erzeugt, wobei über den vorgesehenen doppelten Sternpunktabgriff ermöglicht wird, dass die abgegriffene erste Gleichspannung einen Betrieb der elektrischen Maschine im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen
5 Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 10 umfasst einen ersten Strang 12 mit vier Einzelmodulen 14a, 14b, 14c, 14d, einen zweiten Strang 16 mit ebenfalls vier Einzelmodulen 18a, 18b, 18c, 18d
10 und einen dritten Strang 20 mit vier Einzelmodulen 22a, 22b, 22c, 22d. Dabei ist es möglich, jeden der genannten Stränge 12, 16, 20 auch als Arm des Multilevelkonverters 10 zu bezeichnen. Dieser hier modulare Multilevelkonverter ist bspw. als MMC, MMSPC oder Matroschka-Umrichter ausgebildet, der in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 112 513 beschrieben ist. Jedes der Einzelmodule 14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b,
15 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d umfasst mindestens einen Energiespeicher, bspw. einen Kondensator oder eine Batterie, weshalb der Multilevelkonverter 10 mehrere verteilte Energiespeicher aufweist. Mit Energiespeichern der Einzelmodule 14a, 14b, 14c, 14d des ersten Strangs ist hier einer ersten Phase einer elektrischen Maschine Energie bereitzustellen. Einer zweiten Phase dieser elektrischen Maschine ist über die
20 Einzelmodule 18a, 18b, 18c, 18d des zweiten Strangs 16 elektrische Energie
bereitzustellen. Außerdem ist mit den Einzelmodulen 22a, 22b, 22c, 22d, des dritten Strangs 20 einer dritten Phase der elektrischen Maschine Energie bereitzustellen.
Die in Figur 2 schematisch dargestellte erste Ausführungsform des
25 Energieversorgungssystems 40 umfasst ein erstes Teilnetz 42 und ein zweites Teilnetz 34. Das erste Teilnetz 42 umfasst eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 45, der wiederum drei zueinander parallel geschaltete Stränge 47, 49, 51 bzw. Arme aufweist, wobei ein erster derartiger Strang 47 ein erstes Einzelmodul 48a, ein zweites Einzelmodul 48b, ein drittes Einzelmodul 48c und ein viertes
30 Einzelmodul 48d aufweist. Ein zweiter Strang 49 des Multilevelkonverters 45 weist ein erstes Einzelmodul 50a, ein zweites Einzelmodul 50b, ein drittes Einzelmodul 50c und ein viertes Einzelmodul 50d auf. Außerdem umfasst der Multilevelkonverter 45 einen dritten Strang 51 mit einem ersten Einzelmodul 52a, einem zweiten Einzelmodul 52b, einem dritten Einzelmodul 52c und einem vierten Einzelmodul 52d. Hierbei weisen sämtliche Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d jeweils 5 einen als Batterie oder als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher auf.
Weiterhin umfasst der Multilevelkonverter 45 eine Kontrolleinheit 54. Jeweils ein Strang 47, 49, 51 des Multilevelkonverters 42 ist einer Phase von insgesamt drei Phasen U, V, W eines elektrischen Verbrauchers 58 zugeordnet, der hier als elektrische Maschine 10 ausgebildet ist.
Beim Betrieb des Multilevelkonverters 45 wird ein Wert einer Amplitude einer primären Wechselspannung, die einer jeweiligen Phase U, V, W des Verbrauchers 58
bereitzustellen ist, über die Kontrolleinheit 54 eingestellt. Dabei ist einer ersten Phase U 15 der erste Strang 47 mit den Einzelmodulen 48a, 48b, 48c, 48d zugeordnet. Einer
zweiten Phase V des Verbrauchers 58 ist der zweite Strang 49 mit den Einzelmodulen 50a, 50b, 50c, 50d zugeordnet. Außerdem ist der dritten Phase W des Verbrauchers 58 der dritte Strang 51 mit den Einzelmodulen 52a, 52b, 52c, 52d zugeordnet.
20 Sämtliche Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d sind gleichartig ausgebildet und weisen jeweils eine gleichartigen Energiespeicher auf, mit dem jeweils eine Wechselspannung bereitzustellen ist, deren Amplitude denselben Wert aufweist. Je nachdem, welchen Wert die Amplitude der Wechselspannung aufweisen soll, die einer jeweiligen Phase U, V, W bereitzustellen ist, wird bzw. werden von der
25 Kontrolleinheit 54 innerhalb eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 mindestens ein
Einzelmodul 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d, in der Regel mehrere Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d aktiviert, wobei je nach dem Wert der bereitzustellenden Amplitude der Wechselspannung bspw. mindestens zwei Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a,
30 52b, 52c, 52d innerhalb eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 zueinander in Reihe
und/oder parallel geschaltet werden. Hier ist in der Regel vorgesehen, dass das erste Teilnetz 42 mit einer Spannung betrieben wird, die höher als eine zweite Spannung des zweiten Teilnetzes 34 ist. Beide Teilnetze 42, 34 sind hier über einen galvanisch trennenden Transformator 60 miteinander verbunden, wobei die Primärseite des Transformators 60 dem ersten Teilnetz 42 und eine Sekundärseite des Transformators 60 dem zweiten Teilnetz 34 zugeordnet ist. Außerdem ist dem Transformator 60 innerhalb des zweiten Teilnetzes 34 ein Gleichrichter 62 nachgeschaltet, an dem ein Energiespeicher 64 angeschlossen ist. Weiterhin ist für den Multilevelkonverter 45 ein erster Sternpunkt 66 und ein zweiter Sternpunkt 67 definiert. Jeder der drei Stränge 47, 49, 51 ist über jeweils ein
Einzelmodul, Strang 47 über Einzelmodul 48a, Strang 49 über Einzelmodul 50a und Strang 51 über Einzelmodul 52a, mit den Sternpunkten 66 und 67 verbunden. Dabei ist jedes dieser Einzelmodule 48a, 50a bzw. 52a über seinen jeweiligen Energiespeicher mittelbar oder unmittelbar sowohl mit dem Sternpunkt 66 als auch mit dem Sternpunkt 67 verbunden, so dass darüber bei Durchführung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens von den Einzelmodulen 48a, 50a, 52a, die auch als Sternpunktmodule bezeichnet werden, eine erste Gleichspannung abgegriffen wird. Die so abgegriffene erste Gleichspannung wird dann einem Wechselrichter 55 zugeführt, der die erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung überführt und dem
Transformator 60 bereitstellt. Die Primärseite des Transformators 60 ist mit dem Wechselrichter 55 verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 60 ist mit dem nachgeschalteten Gleichrichter 62 verbunden. Der Transformator 60 transformiert die erste Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung, die über den nachgeschalteten Gleichrichter 62 in eine zweite Gleichspannung überführt wird. Die zweite Gleichspannung wird dem zweiten Teilnetz 34 bereitgestellt und hier dem Energiespeicher 64 zugeführt.
Die hier dargestellte Hintereinanderschaltung von Wechselrichter 55, Transformator 60 und Gleichrichter 62 realisiert einen Gleichspannungswandler, der das erste Teilnetz 42 und das zweite Teilnetz 34 voneinander galvanisch trennt. Die galvanische Trennung wird hier durch den Transformator 60 gewährleistet. Die galvanische Trennung stellt sicher, dass ein eventueller Halbleiterschaden im ersten Teilnetz 42 keine leitende Verbindung zu dem zweiten Teilnetz 34 und damit bspw. keine lebensgefährliche Berührspannung erzeugen kann. Bei Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit den Einzelmodulen 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d, des jeweiligen Strangs 47, 49, 51 ein drei-Phasen System bereitgestellt.
Hierbei ist der erste Strang 47 einer ersten Phase U, der zweite Strang 49 einer zweiten Phase V und der dritte Strang 51 einer dritten Phase W des Verbrauchers 58 zugeordnet. Bei dem Verfahren wird ein jeweiliges Potential der Sternpunkte 66, 67 nicht eindeutig festgelegt, sondern auf eine jeweilige Mittelpunktspannung der drei Phasen U, V, W eingeregelt. Mit dem Multilevelkonverter 45, der hier als Dreiphasen-MMSPC ausgebildet ist, wird über den Transformator 60 eine integrierte galvanisch getrennte Versorgung von
Verbrauchern des zweiten Teilnetzes 34 ermöglicht.
Die in Figur 3 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 70 umfasst ein erstes Teilnetz 72 und ein zweites Teilnetz 74. Das erste Teilnetz 72 umfasst eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 75. Hierbei ist vorgesehen, dass die dritte Ausführungsform des Multilevelkonverters 75 weitgehend baugleich zu der zweiten Ausführungsform des Multilevelkonverters 45 ausgebildet ist.
Auch hier wird ein Wert einer Amplitude einer primären Wechselspannung für eine jeweilige Phase U, V, W des Verbrauchers 58 durch eine Reihen- und/oder
Parallelschaltung der Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 bereitgestellt. Die zweite Ausführungsform des Energieversorgungssystems 70 unterschiedet sich dadurch von der ersten Ausführungsform aus Figur 2, dass ein sich zwischen dem ersten Teilnetz 72 und dem zweiten Teilnetz 74 befindender Gleichspannungswandler 65 nicht durch eine Hintereinanderschaltung von Wechselrichter, Transformator und Gleichrichter realisiert ist, sondern hier als ein Gleichspannungswandler 65 ohne galvanische Trennung ausgeführt ist. Dabei wird einer der beiden Sternpunkte 66, 67, hier Sternpunkt 66 direkt geerdet, während der andere Sternpunkt, hier Sternpunkt 67, mit einem Energiespeicher in Form einer Induktivität bzw. Spule 61 verbunden ist. Der Spule 61 nachgeschaltet sind zwei wiederum in Reihe zueinander geschaltete Transistoren 63a, 63b, die hier jeweils als ein MOSFET ausgebildet sind. Über die Schaltung von Spule 61 und MOSFETs 63a, 63b wird wiederum ein Gleichspannungswandler 65 realisiert. Die MOSFETs 63a und 63b sind hier in Reihe zueinander geschaltet, wobei die beiden MOSFETs 63a, 63b jeweils mindestens gegen das Potential von Sternpunkt 66 geregelt sind. Die Quellenanschlüsse der MOSFETs 63a und 63b sind einander zugewandt. Der Drain- bzw. Abfluss-Anschluss des MOSFETs 63a ist mit der Spule 61 verbunden und der Drain-Anschluss des MOSFETs 63b ist mit dem Pluspol des Energiespeichers 64 verbunden.
Bei Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine über die zwei Sternpunkte 66, 67 von den jeweiligen Energiespeichern der
Sternpunktmodule 48a, 50a, 52a abgegriffene erste Gleichspannung über die Spule 61 und die zwei MOSFETs 63a, 63b in eine zweite Gleichspannung überführt, die dem zweiten Teilnetz 74 bereitgestellt wird.
In dieser zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgesehenen
Gleichspannungswandler ist im Vergleich zu der ersten in Figur 2 dargestellten
Ausführungsform eine höhere Effizienz zu erreichen, verbunden mit einem geringeren Bauraumbedarf und geringeren Kosten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzes, das ein erstes Teilnetz (42, 72) und ein zweites Teilnetz (34, 74) umfasst, die über mindestens einen
5 Gleichspannungswandler miteinander verbunden werden, wobei eine erste
Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem ersten Teilnetz (42, 72) und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem zweiten Teilnetz (34, 74) zugeordnet wird, wobei das erste Teilnetz (42, 72) einen Multilevelkonverter (45, 75) mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen (14a, 14b, 14c, 14d,
10 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen
Energiespeicher aufweist, wobei die erste Anschlussseite des mindestens einen
Gleichspannungswandlers über mindestens eine doppelten Sternpunktabgriff an den Multilevelkonverter (45, 75) angeschlossen wird, wobei der doppelte Sternpunktabgriff
15 über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt des Multilevelkonverters und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters realisiert wird, wobei von dem Multilevelkonverter (45, 75) mindestens eine primäre elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz (42, 72) bereitgestellt wird, und an der ersten Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers über den doppelten
20 Sternpunktabgriff mindestens eine erste elektrische Gleichspannung abgegriffen wird, die dem mindestens einen Gleichspannungswandler bereitgestellt wird, und von dem mindestens einen Gleichspannungswandler auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung transformiert wird, die dem zweiten Teilnetz (34, 74) bereitgestellt wird.
25 2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem vorgesehen ist, dass der
Gleichspannungswandler einen Transformator (60) umfasst, der das erste Teilnetz (42) und das zweite Teilnetz (34) galvanisch voneinander trennt, wobei eine Primärseite des Transformators (60) mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz (42) und eine Sekundärseite des Transformators (60) mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten
30 Teilnetz (34) zugeordnet wird, wobei dem Transformator (60) auf der Primärseite ein Inverter (55) vorgeschaltet ist, der die über den doppelten Sternpunktabgriff abgegriffene mindestens eine erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung überführt, die dem Transformator (60) bereitgestellt wird, von diesem in eine zweite Wechselspannung transformiert wird und von einem dem Transformator (60) auf der Sekundärseite nachgeschalteten Gleichrichter (62) in die ausgehende zweite elektrische Gleichspannung überführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die erste Wechselspannung eine Amplitude mit einem ersten Wert und eine Frequenz mit einem ersten Wert aufweist, und dass die zweite Wechselspannung eine Amplitude mit einem zweiten Wert und eine Frequenz mit einem zweiten Wert aufweist, wobei der erste Wert der Amplitude der ersten
Wechselspannung größer als der zweite Wert der Amplitude der zweiten
Wechselspannung eingestellt wird, und wobei der erste Wert der Frequenz der ersten Wechselspannung kleiner als der zweite Wert der Frequenz der zweiten
Wechselspannung eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Gleichspannungswandller mit einer Wandlertopologie ohne galvanische Trennung realisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Gleichspannungswandler ein Wandler aus der Gruppe bestehend aus: Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter,
Boost-Buck-Konverter gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem über den doppelten Sternpunktabgriff ein jeweiliger unmittelbarer oder mittelbarer Abgriff an den elektrischen Energiespeichern von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt (66, 67) und dem zweiten Sternpunkt (66, 67) des Multilevelkonverters (45, 75) nächstliegenden Einzelmodulen (48a, 50a, 52a) des Multilevelkonverters vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem von dem
Multilevelkonverter (45, 75) dem ersten Teilnetz (42, 72) mehrere zueinander
phasenverschobene primäre Wechselspannungen bereitgestellt werden.
8. IVIultilevelkonverter, der in einem elektrischen Netz anzuordnen ist, wobei das elektrische Netz ein erstes Teilnetz (42, 72) und ein zweites Teilnetz (34, 74) umfasst, wobei die beiden Teilnetze über mindestens einen Gleichspannungswandler miteinander
5 zu verbinden sind, wobei eine erste Anschlussseite des mindestens einen
Gleichspannungswandlers dem ersten Teilnetz (42, 72) und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem zweiten Teilnetz (34, 74) zuzuordnen bzw. zugeordnet ist, wobei der IVIultilevelkonverter in dem ersten Teilnetz anzuordnen ist und eine Mehrzahl von Einzelmodulen (14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b,
10 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei der IVIultilevelkonverter (45, 75) dazu ausgebildet ist, dem ersten Teilnetz (42, 72) mindestens eine primäre Wechselspannung bereitzustellen und über einen doppelten Sternpunktabgriff an der ersten Anschlussseite des mindestens einen
15 Gleichspannungswandlers dem Gleichspannungswandler mindestens eine erste
Gleichspannung bereitzustellen, die von dem mindestens einen Gleichspannungswandler auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung zu transformieren ist und dem zweiten Teilnetz (34, 74) bereitzustellen ist, wobei der doppelte Sternpunktabgriff über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt (66, 67) des Multilevelkonverters (45,
20 75) und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt (66, 67) des
Multilevelkonverters (45, 75) zu realisieren ist.
9. IVIultilevelkonverter nach Anspruch 8, dem eine Kontrolleinheit (54) zugeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, Werte von mindestens einem physikalischen Parameter der
25 mindestens einen von dem IVIultilevelkonverter dem ersten Teilnetz (42, 72)
bereitzustellenden primären Wechselspannung und/oder der mindestens ersten
Gleichspannung einzustellen.
10. IVIultilevelkonverter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem mindestens zwei Einzelmodule 30 (14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d,
50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) gleich ausgebildet sind.
11. Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, der dazu ausgebildet ist, die mindestens eine dem ersten Teilnetz (42, 72) bereitzustellende Wechselspannung aus einer Einzelspannung von einem Energiespeicher mindestens eines Einzelmoduls (14a,
5 14b, 14c, 14d, 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) zu erzeugen.
12. Multilevelkonverter nach Anspruch 11 , der dazu ausgebildet ist, mindestens zwei Einzelmodule (14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b,
10 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) in Reihe und/oder zueinander
parallel zu schalten, und die mindestens eine dem ersten Teilnetz (42, 72)
bereitzustellende Wechselspannung aus einer Kombination von Einzelspannungen der mindestens zwei miteinander zu kombinierenden Einzelmodule (14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a,
15 52b, 52c, 52d) bereitzustellen.
13. Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 8 bis 12, der mehrere Stränge (12, 16, 20, 47, 49, 51) aufweist, wobei jeder Strang (12, 16, 20, 47, 49, 51) eine
Kombination aus mehreren miteinander verschalteten Einzelmodulen (14a, 14b, 14c,
20 14d, 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) aufweist, wobei mit jedem Strang (12, 16, 20, 47, 49, 51) jeweils eine dem ersten Teilnetz (42, 72) bereitzustellende primäre Wechselspannung zu erzeugen bzw. erzeugbar ist.
25 14. Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
bei dem die jeweiligen Energiespeicher der Einzelmodule (14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 52a, 52b, 52c, 52d) als Gleichspannungsquellen ausgebildet sind, wobei über den doppelten Sternpunktabgriff ein jeweiliger unmittelbarer oder mittelbarer Abgriff an den elektrischen
30 Energiespeichern von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt (66, 67) und dem zweiten Sternpunkt (66, 67) des Multilevelkonverters (45, 75) nächstliegenden Einzelmodulen (48a, 50a, 52a) des Multilevelkonverters vorzunehmen ist.
15. Multilevelkonverter nach Anspruch 14, bei dem der Gleichspannungswandler 5 integrativer Teil des Multilevelkonverters (45, 75) ist.
16. Energieversorgungssystem, das ein elektrisches Netz aufweist, das ein erstes Teilnetz (42, 72) und ein zweites Teilnetz (34, 74) umfasst, die über mindestens einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind, wobei eine erste Anschlussseite
10 des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem ersten Teilnetz (42, 72) und eine zweite Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers dem zweiten Teilnetz (34, 74) zugeordnet ist, wobei das erste Teilnetz (42, 72) einen
Multilevelkonverter (45, 75) mit einer Mehrzahl von Einzelmodulen (14a, 14b, 14c, 14d, 18a, 18b, 18c, 18d, 22a, 22b, 22c, 22d, 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d,
15 52a, 52b, 52c, 52d) aufweist, wobei jedes Einzelmodul einen elektrischen
Energiespeicher aufweist, wobei die erste Anschlussseite des mindestens einen
Gleichspannungswandlers über mindestens eine doppelten Sternpunktabgriff an den Multilevelkonverter (45, 75) angeschlossen ist, wobei der doppelte Sternpunktabgriff über einen ersten Anschluss an einen ersten Sternpunkt (66, 67) des Multilevelkonverters
20 (45 , 75) und einen zweiten Anschluss an einen zweiten Sternpunkt (66, 67) des
Multilevelkonverters (45, 75) realisiert ist, wobei der Multilevelkonverter (45, 75) dazu ausgebildet ist, mindestens eine elektrische primäre Wechselspannung dem ersten Teilnetz (42, 72) bereitzustellen, und an der ersten Anschlussseite des mindestens einen Gleichspannungswandlers über den doppelten Sternpunktabgriff dem mindestens einen
25 Gleichspannungswandler mindestens eine erste elektrische Gleichspannung
bereitzustellen, wobei der mindestens eine Gleichspannungswandler dazu ausgebildet ist, die mindestens eine erste Gleichspannung auf eine ausgehende zweite elektrische Gleichspannung zu transformieren und dem zweiten Teilnetz (34, 74) bereitzustellen.
30 17. Energieversorgungssystem nach Anspruch 16, bei dem der
Gleichspannungswandler einen Transformator (60) umfasst, der das erste Teilnetz (42) und das zweite Teilnetz (34) galvanisch voneinander trennt, wobei eine Primärseite des Transformators (60) mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz (42) und eine Sekundärseite des Transformators (60) mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz (34) zugeordnet ist, wobei dem Transformator (60) auf der Primärseite ein
5 Inverter (55) vorgeschaltet ist, der dazu ausgebildet ist, die über den doppelten
Sternpunktabgriff abzugreifende mindestens eine erste Gleichspannung in eine erste Wechselspannung zu überführen und dem Transformator (60) bereitzustellen, wobei der Transformator (60) dazu ausgebildet ist, die von dem Inverter (55) bereitgestellte erste Wechselspannung in eine zweite Wechselspannung zu transformieren, wobei dem
10 Transformator (60) auf der Sekundärseite mindestens ein Gleichrichter (62)
nachgeschaltet ist, der dazu ausgebildet ist, die von dem Transformator (60) bereitgestellte zweite Wechselspannung in die ausgehende zweite elektrische
Gleichspannung zu überführen.
15 18. Energieversorgungssystem nach Anspruch 16, bei dem der
Gleichspannungswandler eine Wandlertopologie ohne galvanische Trennung aufweist.
19. Energieversorgungssystem nach Anspruch 18, bei dem als
Gleichspannungswandler ein Wandler aus der Gruppe bestehend aus: Buck-Konverter,
20 Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter, Boost-Buck-Konverter ist.
20. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem der doppelte Sternpunktabgriff über einen jeweiligen unmittelbaren oder mittelbaren Anschluss des ersten Sternpunkts (66, 67) und des zweiten Sternpunkts (66, 67) an die
25 elektrischen Energiespeicher von den jeweiligen zu dem ersten Sternpunkt und dem zweiten Sternpunkt des Multilevelkonverters (45, 75) nächstliegenden Einzelmodulen (48a, 50a, 52a) des Multilevelkonverters (45, 75) zu realisieren ist.
21. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 20, das in einem 30 Kraftfahrzeug anzuordnen ist.
22. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , bei dem dem ersten Teilnetz (42, 72) als Verbraucher eine elektrische Maschine (58) zuzuordnen ist, die mehrere Phasen aufweist, wobei der IVIultilevelkonverter (45, 75) dazu ausgebildet ist, jeder Phase jeweils eine Wechselspannung bereitzustellen.
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