WO2021113894A1 - Stromrichtervorrichtung, testsystem, sowie verfahren zum ansteuern einer stromrichtervorrichtung - Google Patents

Stromrichtervorrichtung, testsystem, sowie verfahren zum ansteuern einer stromrichtervorrichtung Download PDF

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Roland DI GREUL
Oliver König
Bhaskar PARITI
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Definitions

  • the present invention relates to a converter device with a converter unit for connecting an AC voltage unit to a DC voltage unit with integrated galvanic isolation, a test system, in particular a battery test system, and a method for controlling a converter device.
  • Power converters are known from the prior art, for example in order to convert an alternating voltage into a direct voltage or vice versa.
  • a converter for a battery charger of an electric vehicle is known, for example, from US 2012/0229088 A1.
  • the object of the present invention is to at least partially take into account the problems described above.
  • a power converter device which has a power converter unit for connecting an AC voltage unit to a DC voltage unit.
  • the converter unit has at least a first converter stage and a second converter stage for converting a current between the DC voltage unit and the AC voltage unit.
  • the first converter stage has an AC voltage connection for the electrically conductive connection to the AC voltage unit.
  • the second converter stage has a DC voltage connection for the electrically conductive connection to the DC voltage unit.
  • the second converter stage has at least four bridge units.
  • the converter device also has a control unit with a first operating module for controlling the bridge units in at least one first operating mode for a high-power range, in particular the second converter stage or the converter device, and a second operating module for controlling the bridge units in a second operating mode for a low-power range, in particular the second Converter stage or the converter device on.
  • the bridge units can be operated in a first switching state and in the second operating mode at least two of the bridge units can be operated in the first switching state and, in particular at the same time, at least two of the bridge units can be operated in a second switching state.
  • the AC voltage unit can be an alternating current source, such as a power grid, or a consumer that is operated with alternating current.
  • the direct voltage unit can be a direct current source, such as a battery, or a consumer that is operated with direct current.
  • the DC voltage unit is preferably a vehicle battery, in particular a traction battery of a vehicle, which can be used for charging the vehicle battery as a consumer and / or for discharging the vehicle battery as a direct current source.
  • the converter unit is designed in particular in two stages.
  • the first converter stage is preferably electrically connected directly to the second converter stage.
  • the first converter stage is designed in particular to convert a direct voltage into an alternating voltage and / or vice versa.
  • the first converter stage can preferably be a rectifier, inverter and / or an AC / DC converter.
  • the second converter stage is designed in particular for converting between two DC voltages.
  • the second converter stage can preferably be a DC voltage converter and / or a DC / DC converter.
  • the AC voltage connection and the DC voltage connection can be electrical contact points to which the AC voltage unit and / or the DC voltage unit can be connected.
  • the AC voltage unit and / or the DC voltage unit can be permanently connected to the converter unit via the AC voltage connection and / or the DC voltage connection.
  • the first and second converter stages can each have switching elements.
  • the switching elements can advantageously be semiconductor switches.
  • switching elements of the second converter stage for converting the current are integrated into the bridge units.
  • the respective switching state can also include, for example, an in particular evenly alternating switching sequence of switching elements of the bridge units.
  • control unit can thus control the bridge units as a function of the power range.
  • the high-power range can preferably include rated powers of 40% to 100% of the maximum rated power of the converter device.
  • the lowest power range can advantageously include nominal powers of less than 40% of the maximum nominal power, in particular less than 20% or even a reduction to zero.
  • the control unit can preferably have a processor and / or a microcontroller.
  • the control of the converter unit by the control unit can in particular be understood to mean controlling and / or regulating the converter unit.
  • the converter device can preferably have exactly four bridge units.
  • the bridge units can enable efficient operation of the switching elements and / or a broad power range of the converter device can be made possible as a function of activation of the bridge units.
  • more than four bridge units are provided. In this case, an even number of bridge units can preferably be provided. As a result, the second switching state can be produced in pairs.
  • the converter device preferably from zero to the nominal power.
  • the power range can be up to 60kW.
  • Different combinations of current intensities and electrical voltages are preferably conceivable.
  • the converter device can be operated with a high degree of efficiency. In particular, an efficiency of 98% over both converter stages and / or an efficiency of over 99% for the second converter stage can be achieved.
  • the first switching state of the bridge units comprises a power flow in a first direction.
  • the converter unit can be operated in a charging mode for charging the DC voltage unit and in a discharge mode for discharging the DC voltage unit.
  • the power flow and / or the first direction can be defined by the charging or discharging process.
  • the first operating mode can include operating all bridge units in charging mode or operating all bridge units in discharging mode.
  • the power flow can be oriented in the direction of the DC voltage unit and during the discharging process in the direction of the AC voltage unit.
  • charging and / or discharging of the DC voltage unit can be carried out by the converter device.
  • the second switching state of the bridge units can preferably include a power flow in a second direction which is opposite to the first direction.
  • the first operating module of the control unit is designed to orient a power flow between the AC voltage unit and the DC voltage unit, in particular completely, in the first direction in the first operating mode, in particular wherein the second operating module of the control unit is designed to be oriented in the second Operating mode to orient a power flow between the AC voltage unit and the DC voltage unit partly in the first direction and partly in the opposite direction in the second direction.
  • the bridge units of the second converter stage can preferably be operable in the second operating mode, in particular alternately, in each case or in pairs in the charging mode and / or in the discharging mode.
  • the second operating mode preferably two of the bridge units, in particular a parallel pair, can be operated in the charging mode and two of the bridge units, in particular a parallel pair, can be operated in the discharging mode.
  • all the bridge units of the second converter stage can preferably be operable together either in the charging mode or in the discharging mode.
  • the second converter stage can preferably be controllable in the second operating mode in such a way that the bridge units, in particular in pairs, can be switched offset, in particular wherein the first operating module is designed to switch the bridge units together in the first operating mode.
  • two bridge units connected in series can be switched together in each case in the second operating mode.
  • an intermediate circuit element can thereby be stabilized in the lowest power range.
  • the converter unit, in particular the second converter stage can be operated with an advantageous phase shift.
  • the control unit has a third operating module for controlling the bridge units in a third operating mode for a low-power range with improved effectiveness, with at least two of the bridge units in the first switching state and, in particular simultaneously, at least two of the Bridge units can be operated in a third switching state, in particular wherein the third switching state of the bridge units includes a deactivation of the, in particular respective, bridge units.
  • the low-power range can be understood to mean, in particular, a power range between the low-power range and the high-power range.
  • the low-power range preferably comprises nominal powers of more than 20% and less than 50% of the maximum nominal power of the converter device.
  • the lowest power range in the second operating mode can preferably include rated powers from 0 to 20% of the maximum rated power of the converter device.
  • the respective bridge units i.e. in particular the bridge units in the third switching state, are switched off and / or do not transmit any power. If there are more than four bridge units, the third switching state can preferably be produced in pairs.
  • the control unit has a circulation module in order to switch the bridge units in a circulating manner in the second and / or third operating mode, in particular in pairs.
  • the bridge units can preferably be offset in pairs and can be switched in a circulating manner. In particular, this can enable interleaved operation of the bridge units. This in turn can enable high frequencies on the intermediate circuit element and / or on the output element, whereby components can be dimensioned smaller and / or the converter unit can have an improved efficiency.
  • the second converter stage in a converter device is preferably electrically coupled to the first converter stage on a circuit inside via an intermediate circuit element for carrying an intermediate circuit voltage, in particular that is generated when converting the current between the DC voltage unit and the AC voltage unit, and has the second converter stage on a circuit outside DC voltage connection for the electrically conductive connection to the DC voltage unit.
  • the inside and outside of the circuit represent, in particular, electrical interfaces of the second converter stage, at which the second converter stage is designed for an electrically conductive connection to further components.
  • the intermediate circuit element can have at least one intermediate circuit capacitance, for example in the form of an intermediate circuit capacitor.
  • the intermediate circuit element can preferably be provided with several, preferably two, intermediate circuit capacitances.
  • the intermediate circuit capacitances can each be related to a neutral conductor, so that a positive and / or a negative portion of the intermediate circuit voltage can be divided between the intermediate circuit capacitances.
  • the intermediate circuit voltage can in particular be a voltage at an intermediate circuit capacitance of the intermediate circuit element.
  • the intermediate circuit voltage can also be referred to as a DC link voltage.
  • a further intermediate circuit element can also be provided at the DC voltage connection.
  • the circuit inside and the circuit outside of the second converter stage are designed asymmetrically and / or symmetrically to one another in order to supply the switching elements of the second converter stage with an operating voltage, in particular when the intermediate circuit voltage is present or generated at the intermediate circuit element operate which, in particular in terms of amount, is lower than the intermediate circuit voltage.
  • a switchover unit can preferably be used to switch between the asymmetrical and the symmetrical design.
  • the fact that the inside and outside of the circuit of the second converter stage are asymmetrical to one another can be understood to mean that the inside and outside of the circuit are different, in particular have different interconnections. In the case of a symmetrical design, the interconnections can be the same on both sides.
  • the operating voltage of the switching elements of the second converter stage is lower than the intermediate circuit voltage.
  • the switching elements of the second converter stage can preferably be operated at an operating voltage of the switching elements of, in particular, less than 80% of the intermediate circuit voltage, particularly preferably of, in particular, 50% of the intermediate circuit voltage, in particular. It can also advantageously be provided that the switching elements of the first converter stage can be operated at an operating voltage which is lower than the intermediate circuit voltage.
  • the converter device can thereby preferably be operable with a nominal power at the DC voltage connection and / or at the AC voltage connection with a voltage range of 5V to 200V and / or with a current range of 0A or essentially 0A to 600A.
  • an asymmetrical design is used for a high-current operating mode of the second converter stage and a symmetrical design of the second converter stage is used for a high-voltage operating mode.
  • the efficiency of the power converter device can be increased.
  • the operating voltage is adapted to the design of the transformer ratio.
  • the different operating modes can enable efficient operation of the converter device.
  • the reactive components of the switching elements in particular can have smaller dimensions.
  • the bridge units can advantageously be controllable in order to enable the current to be converted by switching the switching elements. If exactly four bridge units are provided, it can be achieved that the operating voltage of the switching elements is 50% of the intermediate circuit voltage.
  • the asymmetrical configuration of the inside and outside of the circuit can enable interleaved operation.
  • each of the bridge units has two active full bridge elements that are galvanically separated from one another.
  • a transformer element preferably in the form of a high-frequency transformer
  • the bridge units can in particular be designed as dual-active bridges.
  • the full bridge elements can each have four switching elements, preferably in the form of semiconductor switches.
  • the bridge units can be operated for a high frequency range, so that in particular there is an advantageous combination option with the asymmetrical configuration of the inside and outside of the circuit and a transformer in the intermediate circuit element can be dimensioned smaller.
  • a leakage inductance of the transformer element can advantageously be used with the choke to avoid high operating frequencies.
  • the series-parallel connection can include that the bridge units on the inside of the circuit are partially or completely connected in parallel to one another and two or more bridge units connected in parallel to one another are connected in series with one another. It can preferably be provided that two bridge units are each connected in parallel to form a parallel pair and the two parallel pairs are connected in series.
  • the bridge units can thus be arranged in a cascade, in particular in a two-two pattern.
  • the first converter stage has at least one three-stage converter unit, preferably three three-stage converter units.
  • the at least one converter unit can have a 3L-NPC topology, ie the at least one three-stage converter unit can be a converter of the type of a three-stage neutral-point-clamped converter.
  • the converter unit can be designed in particular for high power ranges and / or with reduced EMC filter measures for the converter device. At the same time, losses can be kept low due to the three-stage converter unit, even in high power ranges.
  • the AC voltage connection of the first converter stage has at least three phase connections, which are in particular connected to the converter units in the middle of the steps.
  • the converter device can be designed in particular for polyphase AC voltage units.
  • such AC voltage units have high power ranges in which circuit losses can lead to correspondingly high energy losses.
  • the combination with the asymmetrical configuration of the inside and outside of the circuit and the low operating voltage of the switching elements made possible thereby can prevent high energy loss even in the case of a multiphase AC voltage unit with a high power range.
  • the control unit can preferably have a direction module for bidirectional operation of the converter unit.
  • the converter unit can preferably be switchable between the charging mode and the discharging mode. This can influence the direction of a power flow.
  • the converter unit can be operated bidirectionally. This enables both discharging and charging of the DC voltage unit. This is to be understood in particular as drawing energy from and returning energy to the AC voltage network.
  • a measuring device for determining the power range is connected to the DC voltage connection.
  • the measuring device can preferably have a data communication connection with the control unit in order to forward measurement results to the control unit.
  • the measuring device can thus regularly or continuously check a current input and / or output power of the converter device in order to be able to implement advantageous control, in particular in the high, low and / or low power range.
  • the measuring device can have a voltmeter and / or an ammeter in order to be able to measure current parameters for determining the power range.
  • the second converter stage in particular on the outside of the circuit, has a switching unit for switching between a high-voltage operating mode and a high-current operating mode, in particular the bridge units in the high-current operating mode, in particular on the outside of the circuit, in a parallel connection and in the High voltage mode are connected in a series parallel connection.
  • a voltage range and / or a current range of the converter device can be increased even further.
  • the converter device can be operated in the high-voltage operating mode with a higher output voltage than in the high-current operating mode and in the high-current operating mode with a higher current than in the high-voltage operating mode.
  • the converter device In the high-voltage operating mode, the converter device can be or can be operated in particular at a direct voltage of up to 400V and a current strength of up to 150A. In the high-current operating mode, the converter device can be or can be operated in particular at a direct voltage of up to 200V and a current strength of up to 300A.
  • a test system for testing a DC voltage unit in the form of an energy store, in particular for a vehicle is provided.
  • the test system has an alternating voltage unit, in particular in the form of an electrical machine or an alternating current network, and the direct voltage unit. It is also provided that the AC voltage unit and the DC voltage unit are connected by a converter device according to the invention, in particular in a bidirectional and galvanically separated manner.
  • a test system according to the invention thus brings the same advantages as have already been described in detail with reference to a converter device according to the invention.
  • the test system allows the energy store to be operated, in particular, in a discharging and / or charging mode. Ripple currents can be induced or impressed and / or the battery behavior can be tested and / or monitored in different operating situations. In particular, with the converter device according to the invention, this is possible with low losses in a wide power range.
  • the energy store is preferably a battery module, a battery cell or a battery.
  • the battery module can comprise several interconnected battery cells. It is conceivable that the DC voltage unit has a plurality of battery modules which are connected to the converter device. In particular, the entire battery of the vehicle can be connected to the converter device.
  • the vehicle can preferably be an at least partially electrically operated motor vehicle or a rail vehicle.
  • a method for controlling a converter device in particular a converter device according to the invention, is provided.
  • the converter device is connected to an AC voltage unit and a DC voltage unit, so that a current between the AC voltage unit and the DC voltage unit can be converted via a first and a second converter stage of the converter device.
  • the bridge units for a high-power range are controlled in a first operating mode, in which the bridge units are operated in a first switching state, and the bridge units for a low-power range are controlled in a second operating mode, in which at least two the bridge units are operated in the first switching state and at least two of the bridge units are operated in a second switching state.
  • a current can be converted between the AC voltage unit and the DC voltage unit, for example, by switching elements of the first and second converter stages, in particular when the intermediate circuit voltage is present.
  • at least the switching elements of the second converter stage can be operated at an operating voltage which, in particular in terms of amount, is lower than an intermediate circuit voltage that is generated between the first converter stage and the second converter stage.
  • the method can further comprise the following step:
  • the converter device can advantageously be part of a test system according to the invention.
  • the intermediate circuit voltage can be generated before the current is converted or at the same time as the current is converted. In particular, it is also conceivable that the intermediate circuit voltage is generated by partially converting the current by the first or second converter stage.
  • the method steps can preferably be carried out or initiated by a control unit of the converter device.
  • Control of a second converter stage as a function of the power range the second converter stage being controlled with a first operating mode when the converter device is in a high-power range, and with a second operating mode when the converter device is in a very low-power range.
  • the power range can be determined by a measuring device and / or a control unit of the converter device. For this purpose, a voltage and a current can be measured at the DC voltage connection and / or at the AC voltage connection.
  • the two, in particular three, operating modes can provide an advantageous switching option for the second converter stage as a function of the power range. As a result, efficient operation of the converter device can be made possible over a wide power range.
  • a power flow between the AC voltage unit and the DC voltage unit is oriented, in particular completely, in a first direction, in particular with a power flow between the AC voltage unit and the DC voltage unit in the second operating mode is oriented partially in the first direction and partially in a second direction, which is opposite to the first direction.
  • bridge units or pairs of bridge units of the second converter stage can be operated alternately in the predetermined direction and the direction opposite to the predetermined direction.
  • the second converter stage is operated in a third operating mode for a low-power range.
  • the third operating mode at least two of the bridge units can advantageously be operated in the first switching state and at least two of the bridge units can be operated in a third switching state.
  • the third switching state of the bridge units can preferably include a deactivation of the respective bridge units.
  • FIG. 1 shows a converter device according to the invention with a first and a second converter stage in a schematic representation
  • FIGS. 2-4 the second converter stage in a first, a second and a third operating mode in a floch current operating mode
  • FIG. 5 shows the second converter stage in a high-voltage operating mode
  • FIG. 6 shows a method according to the invention for operating the converter device according to the invention
  • FIG. 7 power ranges of the converter device according to the invention in a diagram.
  • FIG. 1 shows a test system according to the invention for testing a DC voltage unit 2.
  • a converter device 10 according to the invention is connected between the DC voltage unit 2 and an AC voltage unit 3.
  • the converter device 10 is connected to the direct voltage unit 2 via a direct voltage connection 34 and to the alternating voltage unit 3 via an alternating voltage connection 24.
  • the converter device 10 has a converter unit 11 with a first converter stage 20 and a second converter stage 30.
  • the first converter stage 20 is preferably designed as an AC / DC converter and the second converter stage 30 as a DC / DC converter.
  • the converter unit 11 is bidirectional, so that a power flow 202 both from the AC voltage unit 3 to the DC voltage unit 2 and from the DC voltage unit 2 can be directed to AC voltage unit 3.
  • the converter unit 11 is designed to be galvanically insulated by the converter stage 30.
  • the alternating voltage unit 3 is a polyphase, in particular three-phase alternating voltage unit 3. Therefore, the alternating voltage connection 24 has three phase connections 24.1.
  • the first converter stage 20 also has three three-stage converter units 21, in particular with a 3L-NPC topology. Each of the converter units 21 has four switching elements 22, by means of which a conversion of the current between the AC voltage unit 3 and the second converter stage 30 is made possible.
  • the first converter stage 20 is also connected to the second converter stage 30 on a circuit inside 23 of the second converter stage 30 via an intermediate circuit element 25.
  • the intermediate circuit element 25 has two intermediate circuit capacitors 25.1, in particular in the form of intermediate circuit capacitors.
  • the intermediate circuit element 25 carries an intermediate circuit voltage 200.
  • the second converter stage 30 also has four bridge units 31, which are connected to the circuit inside 23 in In the form of a series-parallel circuit and on a circuit outside 33, on which the second converter stage 30 is connected to the DC voltage unit 2, are connected in a parallel circuit in a floch current operating mode 230.
  • the two pairs of bridge elements 31 connected in parallel are also connected in series with one another, so that a cascading arrangement of two bridge elements 31 is obtained.
  • the bridge units 31 each have two full bridge elements 31.1, each with four switching elements 32, in particular in the form of semiconductor switches.
  • Transformer elements 31.2 in particular in the form of
  • High-frequency transformers provided for galvanic separation of the full bridge elements 31.1 from one another.
  • a further intermediate circuit element 35 can be provided on the outside of the circuit 33.
  • the control unit 12 enables the switching elements 32 of the second converter stage 30 to be operated under an operating voltage 201 that is lower than the intermediate circuit voltage 200 when the intermediate circuit voltage 200 is present at the intermediate circuit element 25.
  • the operating voltage 201 can preferably be 50% of the intermediate circuit voltage 200 .
  • the bridge units 31 can also be connected to a neutral conductor of the converter units 21 for this purpose. Because the operating voltage 201 is lower than the intermediate circuit voltage 200, the converter unit 11 and thus the converter device 10 can be operated with high efficiency and with low losses at the switching elements 32 over a wide power range 210. In particular, the second converter stage 30 can be operated in an interleaved mode.
  • a method 100 according to the invention for controlling the converter device 10 is shown in FIG. 6 in a schematic illustration of the method steps.
  • the intermediate circuit voltage 200 is generated 101 at the intermediate circuit element 25 to convert 104 the current between the AC voltage unit 3 and the DC voltage unit 2.
  • the converter device 10 can preferably have a connection voltage 203 at the DC voltage connection 34 and / or over a range of from 5V to 200V 0A or essentially 0A to 600A of a connection current 203.1 can be operated at the direct voltage connection 34.
  • the power range 210 can be determined 102 in particular by a measuring device 13 which is arranged at the DC voltage connection 34.
  • a control 103 of the converter unit 11 by a control unit 12 can be made possible.
  • the control unit 12 has a first operating module 12.1 for operating the converter unit 11 in a first operating mode I, a second operating module 12.2 for operating the converter unit 11 in a second operating mode II, and a third operating module 12.3 for operating the converter unit 11 in a third operating mode III on.
  • the first operating mode I is provided for a high-power range 211
  • the second operating mode II for a low-power range 213
  • the third operating mode III for a low-power range 212.
  • FIG. 7 shows the high-power range 211, the low-power range 213 and the low-power range 212 schematically in a diagram with the Connection voltage 203 in volts compared to connection current 203.1 in amperes.
  • the low power range 213 includes rated powers at the DC voltage connection 34 from 0 to 40% of a maximum rated power of the converter unit 11 and the high power range 211 rated powers 40% to 100% of the maximum rated power.
  • the low-power range 212 includes, in particular, nominal powers of 20% to 40% of the maximum nominal power.
  • FIG. 2 shows the second converter stage 30 in the first operating mode I and FIG. 3 shows the second converter stage 30 in the second operating mode II in a simplified, schematic illustration.
  • the power flow 202 of all bridge elements 31 of the second converter stage 30 is jointly oriented in one direction.
  • the direction can run from the AC voltage unit 3 to the DC voltage unit 2 (shown in dashed lines in FIG. 2) or vice versa (shown as a solid line in FIG. 2).
  • the control unit 12 can have a direction module 12.5 for determining a direction of the power flow 202.
  • a charging mode of the converter unit 11 for charging the DC voltage unit 2 and / or a discharge mode of the converter unit 11 for discharging the DC voltage unit 2 can be enabled by the direction module 12.5.
  • the power flow 202 can be oriented.
  • the bridge units 31, in particular controlled by the second operating module 12.2 of the control unit 12 are switched in pairs so that the Power flow 202 of two of the bridge units 31 is oriented in a first direction and the power flow 202 of the two other bridge units 31 is oriented in a second direction opposite to the first direction.
  • the bridge units 31 can preferably be operated by a circulation module 12.4 of the control unit 12 in a circulation mode 103.1, so that the switching states 220, 221 and thus the direction of the power flow 202 change, in particular in opposite directions (shown in dashed lines in FIG. 3).
  • the converter device 10 can thus advantageously be operated over a broad power range 210.
  • FIG. 4 shows the second converter stage 30 in a third operating mode III for controlling the bridge units 31 in a low-power range 212 of the second converter stage 30.
  • the third operating mode III at least two of the bridge units 31 are in the first switching state 220 and at least two of the bridge units 31 are in a third switching state 222 can be operated, in which a deactivation of the respective bridge units 31 is provided.
  • no power is transmitted from two of the bridge units 31 in the third operating mode III.
  • the bridge units 31 can be deactivated and activated in the third operating mode III, in particular alternating in pairs.
  • the second converter stage 30 can preferably be switched from the high-current operating mode 230 to a high-voltage operating mode 231.
  • the converter device 10 has a switchover unit 14.
  • FIG. 5 shows the second converter stage 30 in the high-voltage operating mode 231.
  • the circuit inside 23 and the circuit outside 33 of the second converter stage 30 are symmetrical.
  • the bridge units 31 are connected on both sides in a series-parallel connection.
  • the second converter stage 30 can preferably also be operated in the first, second and / or third operating mode I, II, III.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung (10), insbesondere für ein Fahrzeug (4), aufweisend eine Stromrichtereinheit (11 ) zum Verbinden einer Wechselspannungseinheit (3) mit einer Gleichspannungseinheit (2), wobei die Stromrichtereinheit (11) zumindest eine erste Stromrichterstufe (20) und eine zweite Stromrichterstufe (30) aufweist, die jeweils Schaltelemente (22, 32) zum Umwandeln (104) eines Stromes zwischen der Gleichspannungseinheit (2) und der Wechselspannungseinheit (3) aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Testsystem, sowie ein Verfahren (100).

Description

Stromrichtervorrichtung, Testsystem, sowie Verfahren zum Ansteuern einer
Stromrichtervorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung mit einer Stromrichtereinheit zum Verbinden einer Wechselspannungseinheit mit einer Gleichspannungseinheit mit integrierter galvanischer Trennung, ein Testsystem, insbesondere Batterietestsystem, sowie ein Verfahren zum Ansteuern einer Stromrichtervorrichtung.
Stromrichter sind aus dem Stand der Technik bekannt, um beispielsweise eine Wechselspannung in eine Gleichspannung oder umgekehrt umzuwandeln. Ein Stromrichter für eine Batterieladevorrichtung eines Elektrofahrzeuges ist beispielsweise aus der US 2012 / 0229088 A1 bekannt.
Dabei ist es bekannt, die Umwandlung in mehreren Stufen vorzusehen, welche schaltungstechnisch unterschiedlich ausgebildet sind. Dadurch kann insbesondere ein Spannungsabfall stufenweise begrenzt werden, wodurch die Lebensdauer von verbauten Halbleiterbauelementen verlängert werden kann. Dabei ist es jedoch von Nachteil, dass hohe Verluste, insbesondere an Halbleiterschaltern, der Stufen entstehen. Insbesondere, wenn der Stromrichter über einen weiten Strom- und Spannungsbereich betrieben werden soll, können bekannte Stromrichter hohe Verluste oft nicht verhindern. Insbesondere an der gleichstromseitigen Stufe werden die Halbleiterbauelemente meist mit der sog. DC-Link-Spannung betrieben, d. h. einer Spannung, die an einem Zwischenkreis der gleichstromseitigen Stufe anliegt und durch die Gleichstromquelle, wie z. B. eine Batterie, vorgegeben wird. Dadurch können jedoch die Effizienz und der Wirkungsgrad der Stromrichtervorrichtung negativ beeinflusst werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verluste bei der Energieübertragung durch eine Stromrichtervorrichtung zu reduzieren und für die Stromrichtervorrichtung gleichzeitig einen möglichst breiten Einsatzbereich zu schaffen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Stromrichtervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Testsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14, sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Testsystem und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Stromrichtervorrichtung vorgesehen, die eine Stromrichtereinheit zum Verbinden einer Wechselspannungseinheit mit einer Gleichspannungseinheit aufweist. Die Stromrichtereinheit weist zumindest eine erste Stromrichterstufe und eine zweite Stromrichterstufe zum Umwandeln eines Stromes zwischen der Gleichspannungseinheit und der Wechselspannungseinheit auf. Ferner weist die erste Stromrichterstufe einen Wechselspannungsanschluss zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Wechselspannungseinheit auf. Die zweite Stromrichterstufe weist einen Gleichspannungsanschluss zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Gleichspannungseinheit auf. Die zweite Stromrichterstufe weist zumindest vier Brückeneinheiten auf. Die Stromrichtervorrichtung weist ferner eine Kontrolleinheit mit einem ersten Betriebsmodul zum Ansteuern der Brückeneinheiten in zumindest einem ersten Betriebsmodus für einen Hochleistungsbereich, insbesondere der zweiten Stromrichterstufe oder der Stromrichtervorrichtung, und einem zweiten Betriebsmodul zum Ansteuern der Brückeneinheiten in einem zweiten Betriebsmodus für einen Geringstleistungsbereich, insbesondere der zweiten Stromrichterstufe oder der Stromrichtervorrichtung, auf. Im ersten Betriebsmodus sind die Brückeneinheiten in einem ersten Schaltzustand betreibbar und im zweiten Betriebsmodus sind zumindest zwei der Brückeneinheiten im ersten Schaltzustand und, insbesondere gleichzeitig, zumindest zwei der Brückeneinheiten in einem zweiten Schaltzustand betreibbar. Bei der Wechselspannungseinheit kann es sich um eine Wechselstromquelle, wie z.B. ein Stromnetz, oder einen Verbraucher handeln, der mit Wechselstrom betrieben wird. Bei der Gleichspannungseinheit kann es sich um eine Gleichstromquelle, wie z.B. eine Batterie, oder einen Verbraucher handeln, der mit Gleichstrom betrieben wird. Vorzugsweise handelt es sich bei der Gleichspannungseinheit um eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie eines Fahrzeuges, die für einen Ladevorgang der Fahrzeugbatterie als Verbraucher und/oder für einen Entladevorgang der Fahrzeugbatterie als Gleichstromquelle verwendbar ist.
Die Stromrichtereinheit ist insbesondere zweistufig ausgeführt. Vorzugsweise ist die erste Stromrichterstufe unmittelbar mit der zweiten Stromrichterstufe elektrisch verbunden. Die erste Stromrichterstufe ist insbesondere zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung und/oder umgekehrt ausgebildet. Vorzugsweise kann es sich bei der ersten Stromrichterstufe um einen Gleichrichter, Wechselrichter und/oder einen AC/DC-Konverter handeln. Die zweite Stromrichterstufe ist insbesondere zum Umwandeln zwischen zwei Gleichspannungen ausgebildet. Vorzugsweise kann es sich bei der zweiten Stromrichterstufe um einen Gleichspannungswandler und/oder einen DC/DC- Wandler handeln. Bei dem Wechselspannungsanschluss und dem Gleichspannungsanschluss kann es sich um elektrische Kontaktstellen handeln, an welchen die Wechselspannungseinheit und/oder die Gleichspannungseinheit anschließbar ist. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Wechselspannungseinheit und/oder die Gleichspannungseinheit über den Wechselspannungsanschluss und/oder den Gleichspannungsanschluss fest mit der Stromrichtereinheit verbunden ist. Zum Umwandeln des Stromes zwischen der Gleichspannungseinheit und der Wechselspannungseinheit können die erste und zweite Stromrichterstufe jeweils Schaltelemente aufweisen. Bei den Schaltelementen kann es sich vorteilhafterweise um Halbleiterschalter handeln. Insbesondere sind Schaltelemente der zweiten Stromrichterstufe zum Umwandeln des Stromes in die Brückeneinheiten integriert. Der jeweilige Schaltzustand kann auch beispielsweise eine, insbesondere gleichmäßig, alternierende Schaltfolge von Schaltelementen der Brückeneinheiten umfassen. Somit können vorzugsweise unterschiedliche Betriebsmodi für unterschiedliche Leistungsbereiche vorgesehen sein. Dadurch kann ermöglicht sein, dass die Betriebsmodi auf den jeweiligen Leistungsbereich abgestimmt sind und dadurch Schaltungsverluste gering gehalten werden können. Insbesondere kann die Ansteuerung der Brückeneinheiten durch die Kontrolleinheit somit in Abhängigkeit von dem Leistungsbereich erfolgen. Der Hochleistungsbereich kann vorzugsweise Nennleistungen von 40% bis 100% der maximalen Nennleistung der Stromrichtervorrichtung umfassen. Der Geringstleistungsbereich kann vorteilhafterweise Nennleistungen kleiner als 40% der maximalen Nennleistung, insbesondere kleiner als 20% oder sogar eine Reduktion auf Null umfassen. Durch die beiden Betriebsmodi kann ein Strom unterhalb einer maximalen Stromgrenze der Stromrichtervorrichtung gehalten werden, selbst wenn z. B. eine Spannung der Gleichspannungseinheit abfällt. Die Kontrolleinheit kann vorzugsweise einen Prozessor und/oder einen Mikrocontroller aufweisen. Unter dem Ansteuern der Stromrichtereinheit durch die Kontrolleinheit kann insbesondere ein Steuern und/oder Regeln der Stromrichtereinheit verstanden werden. Vorzugsweise kann die Stromrichtervorrichtung genau vier Brückeneinheiten aufweisen. Durch die Brückeneinheiten kann ein effizienter Betrieb der Schaltelemente ermöglicht werden und/oder in Abhängigkeit von einer Ansteuerung der Brückeneinheiten ein breiter Leistungsbereich der Stromrichtervorrichtung ermöglicht werden. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass mehr als vier Brückeneinheiten vorgesehen sind. Dabei kann vorzugsweise eine geradzahlige Anzahl an Brückeneinheiten vorgesehen sein. Dadurch kann der zweite Schaltzustand paarweise herstellbar sein.
Insgesamt ergibt sich somit für die Stromrichtervorrichtung ein hoher und breiter Leistungsbereich vorzugsweise von Null bis zur nominalen Leistung. Beispielsweise kann der Leistungsbereich bei bis zu 60kW liegen. Dabei sind vorzugsweise unterschiedliche Kombinationen von Stromstärken und elektrischen Spannungen denkbar. Weiterhin kann die Stromrichtervorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden. Dabei kann insbesondere ein Wirkungsgrad von 98% über beide Stromrichterstufen und/oder ein Wirkungsgrad von über 99% für die zweite Stromrichterstufe erreichbar sein. Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung denkbar, dass der erste Schaltzustand der Brückeneinheiten einen Leistungsfluss in einer ersten Richtung umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Stromrichtereinheit in einem Lademodus zum Laden der Gleichspannungseinheit und in einem Entlademodus zum Entladen der Gleichspannungseinheit betreibbar ist.
Insbesondere kann der Leistungsfluss und/oder die erste Richtung durch den Lade oder Entladevorgang definiert sein. Insbesondere kann der erste Betriebsmodus ein Betreiben aller Brückeneinheiten im Lademodus oder ein Betreiben aller Brückeneinheiten im Entlademodus umfassen. Beim Ladevorgang kann der Leistungsfluss in Richtung der Gleichspannungseinheit orientiert sein und beim Entladevorgang in Richtung der Wechselspannungseinheit. Dadurch kann ein Laden und/oder Entladen der Gleichspannungseinheit durch die Stromrichtervorrichtung durchführbar sein.
Vorzugsweise kann bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung der zweite Schaltzustand der Brückeneinheiten einen Leistungsfluss in einer zweiten Richtung umfassen, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Betriebsmodul der Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, im ersten Betriebsmodus einen Leistungsfluss zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit, insbesondere vollständig, in der ersten Richtung zu orientieren, insbesondere wobei das zweite Betriebsmodul der Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, im zweiten Betriebsmodus einen Leistungsfluss zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit teilweise in der ersten Richtung zu orientieren und teilweise in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu orientieren. Vorzugsweise können die Brückeneinheiten der zweiten Stromrichterstufe im zweiten Betriebsmodus, insbesondere alternierend, jeweils oder paarweise im Lademodus und/oder im Entlademodus betreibbar sein. Somit können im zweiten Betriebsmodus vorzugsweise jeweils zwei der Brückeneinheiten, insbesondere ein Parallelpaar, im Lademodus und zwei der Brückeneinheiten, insbesondere ein Parallelpaar, im Entlademodus betreibbar sein. Im ersten Betriebsmodus können vorzugsweise alle Brückeneinheiten der zweiten Stromrichterstufe gemeinsam entweder im Lademodus oder im Entlademodus betreibbar sein. Vorzugsweise kann die zweite Stromrichterstufe im zweiten Betriebsmodus derart ansteuerbar sein, dass die Brückeneinheiten, insbesondere paarweise, versetzt schaltbar sind, insbesondere wobei das erste Betriebsmodul dazu ausgebildet ist, die Brückeneinheiten im ersten Betriebsmodus gemeinsam zu schalten. Vorzugsweise können im zweiten Betriebsmodus jeweils zwei in Reihe geschaltete Brückeneinheiten gemeinsam schaltbar sein. Weiterhin kann dadurch ein Zwischenkreiselement im Geringstleistungsbereich stabilisiert werden. Mit vier Brückeneinheiten kann die Stromrichtereinheit, insbesondere die zweite Stromrichterstufe, dabei mit einer vorteilhaften Phasenverschiebung betreibbar sein.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung vorgesehen sein, dass die Kontrolleinheit ein drittes Betriebsmodul zum Ansteuern der Brückeneinheiten in einem dritten Betriebsmodus für einen Niedrigleistungsbereich mit verbessertem Wirkungsfrag aufweist, wobei im dritten Betriebsmodus zumindest zwei der Brückeneinheiten im ersten Schaltzustand und, insbesondere gleichzeitig, zumindest zwei der Brückeneinheiten in einem dritten Schaltzustand betreibbar sind, insbesondere wobei der dritte Schaltzustand der Brückeneinheiten eine Deaktivierung der, insbesondere jeweiligen, Brückeneinheiten umfasst. Unter dem Niedrigleistungsbereich kann insbesondere ein Leistungsbereich zwischen dem Geringstleistungsbereich und dem Hochleistungsbereich verstanden werden. Vorzugsweise umfasst der Niedrigleistungsbereich im dritten Betriebsmodus Nennleistungen von über 20% und kleiner 50% der maximalen Nennleistung der Stromrichtervorrichtung. Der Geringstleistungsbereich im zweiten Betriebsmodus kann vorzugsweise Nennleistungen von 0 bis 20% der maximalen Nennleistung der Stromrichtervorrichtung umfassen. Bei der Deaktivierung kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Brückeneinheiten, d.h. insbesondere die Brückeneinheiten im dritten Schaltzustand, ausgeschaltet sind und/oder keine Leistung übertragen. Bei mehr als vier Brückeneinheiten kann der dritte Schaltzustand vorzugweise paarweise herstellbar sein.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Kontrolleinheit ein Zirkulationsmodul aufweist, um die Brückeneinheiten im zweiten und/oder dritten Betriebsmodus, insbesondere paarweise, zirkulierend zu schalten. Vorzugsweise können die Brückeneinheiten paarweise versetzt und zirkulierend schaltbar sein. Insbesondere kann dadurch ein Interleaved-Betrieb der Brückeneinheiten ermöglicht sein. Dies wiederum kann hohe Frequenzen am Zwischenkreiselement und/oder am Ausgangselement ermöglichen, wodurch Bauteile geringer dimensioniert sein können und/oder die Stromrichtereinheit einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen kann.
Vorzugsweise ist die zweite Stromrichterstufe bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung auf einer Schaltungsinnenseite über ein Zwischenkreiselement zum Führen einer Zwischenkreisspannung, insbesondere die beim Umwandeln des Stromes zwischen der Gleichspannungseinheit und der Wechselspannungseinheit erzeugt wird, mit der ersten Stromrichterstufe elektrisch gekoppelt und weist auf einer Schaltungsaußenseite der zweiten Stromrichterstufe den Gleichspannungsanschluss zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Gleichspannungseinheit auf. Die Schaltungsinnenseite und die Schaltungsaußenseite stellen insbesondere elektrische Schnittstellen der zweiten Stromrichterstufe dar, an denen die zweite Stromrichterstufe zur elektrisch leitenden Verbindung mit weiteren Komponenten ausgebildet ist. Beim Führen der Zwischenkreisspannung durch das Zwischenkreiselement kann Energie zwischenspeicherbar sein. Durch das Zwischenkreiselement kann ein Zwischenkreis gebildet sein, der zwischen der ersten und zweiten Stromrichterstufe verschaltet ist. Zum Führen der Zwischenkreisspannung kann das Zwischenkreiselement zumindest eine Zwischenkreiskapazität, beispielsweise in Form eines Zwischenkreiskondensators, aufweisen. Vorzugsweise kann das Zwischenkreiselement mehrere, vorzugsweise zwei, Zwischenkreiskapazitäten vorgesehen sein. Die Zwischenkreiskapazitäten können dabei jeweils auf einen neutralen Leiter bezogen sein, so dass ein positiver und/oder ein negativer Anteil der Zwischenkreisspannung auf die Zwischenkreiskapazitäten aufgeteilt sein kann. Bei der Zwischenkreisspannung kann es sich insbesondere um eine Spannung an einer Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreiselementes handeln. Insbesondere kann die Zwischenkreisspannung auch als DC-Link-Spannung bezeichnet werden. Am Gleichspannungsanschluss kann ferner ein weiteres Zwischenkreiselement vorgesehen sein.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Schaltungsinnenseite und die Schaltungsaußenseite der zweiten Stromrichterstufe asymmetrisch und/oder symmetrisch zueinander ausgebildet sind, um die Schaltelemente der zweiten Stromrichterstufe, insbesondere bei Vorliegen oder Erzeugen der Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiselement, unter einer Betriebsspannung zu betreiben, die, insbesondere betragsmäßig, geringer ist, als die Zwischenkreisspannung. Vorzugsweise kann durch eine Umschalteinheit zwischen der asymmetrischen und der symmetrischen Ausbildung umgeschaltet werden. Darunter, dass die Schaltungsinnenseite und die Schaltungsaußenseite der zweiten Stromrichterstufe asymmetrisch zueinander ausgebildet sind, kann verstanden werden, dass die Schaltungsinnenseite und die Schaltungsaußenseite unterschiedlich sind, insbesondere unterschiedliche Verschaltungen aufweisen. Bei einer symmetrischen Ausbildung können die Verschaltungen beidseitig gleich sein. Somit kann insbesondere durch eine geschickte Verschaltung der ersten Stromrichterstufe erreicht werden, dass die Betriebsspannung der Schaltelemente der zweiten Stromrichterstufe geringer ist, als die Zwischenkreisspannung. Vorzugsweise können die Schaltelemente der zweiten Stromrichterstufe bei einer Betriebsspannung der Schaltelemente von, insbesondere betragsmäßig, kleiner als 80% der Zwischenkreisspannung, besonders bevorzugt von, insbesondere betragsmäßig, 50% der Zwischenkreisspannung betreibbar sein. Vorteilhafterweise kann ferner vorgesehen sein, dass die Schaltelemente der ersten Stromrichterstufe bei einer Betriebsspannung betreibbar sind, die geringer ist, als die Zwischenkreisspannung. Vorzugsweise kann die Stromrichtervorrichtung dadurch mit einer Nennleistung am Gleichspannungsanschluss und/oder am Wechselspannungsanschluss mit einem Spannungsbereich von 5V bis 200V und/oder mit einem Strombereich von 0A oder im Wesentlichen 0A bis 600A betreibbar sein. Vorzugsweise wird eine asymmetrische Ausbildung für eine Hochstrombetriebsart der zweiten Stromrichterstufe und eine symmetrische Ausbildung der zweiten Stromrichterstufe für eine Hochspannungsbetriebsart eingesetzt.
Aufgrund der geringeren Betriebsspannung in der zweiten Stromrichterstufe können Verluste in der Stromrichtervorrichtung reduziert werden. Somit kann die Effizienz der Stromrichtervorrichtung gesteigert sein. Insbesondere ist die Betriebsspannung dem Design des Trafoübersetzungsverhältnisses angepasst. Insbesondere über einen weiten Bereich von erreichbaren Strömen und/oder erreichbarer Spannung kann durch die unterschiedlichen Betriebsmodi ein effizienter Betrieb der Stromrichtervorrichtung ermöglicht sein. Weiterhin können insbesondere die reaktiven Komponenten der Schaltelemente geringer dimensioniert sein. Durch die Aufteilung der Schaltelemente auf mehrere Brückeneinheiten kann die asymmetrische Ausbildung der Schaltungsinnenseite und der Schaltungsaußenseite der zweiten Stromrichterstufe ermöglicht werden. Insbesondere in Kombination mit Halbleiterbauelementen können die Brückeneinheiten vorteilhaft ansteuerbar sein, um die Stromumwandlung über ein Schalten der Schaltelemente zu ermöglichen. Sind genau vier Brückeneinheiten vorgesehen, kann erreicht werden, dass die Betriebsspannung der Schaltelemente 50% der Zwischenkreisspannung beträgt. Insbesondere kann die asymmetrische Ausgestaltung der Schaltungsinnenseite und der Schaltungsaußenseite einen Interleaved-Betrieb ermöglichen.
Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung denkbar, dass jede der Brückeneinheiten zwei aktive Vollbrückenelemente aufweist, die galvanisch voneinander getrennt sind. Insbesondere kann zwischen den Vollbrückenelementen ein Transformatorelement, vorzugsweise in Form eines Hochfrequenz- Transformators, angeordnet sein. Die Brückeneinheiten können insbesondere als Dual-Active-Bridges ausgestaltet sein. Die Vollbrückenelemente können jeweils vier Schaltelemente, vorzugsweise in Form von Halbleiterschaltern, aufweisen. Dadurch kann die Umwandlung des Stromes zwischen der Wechselstromquelle und der Gleichstromquelle, insbesondere bidirektional, verbessert sein. Weiterhin können die Brückeneinheiten für einen hohen Frequenzbereich betreibbar sein, so dass sich insbesondere eine vorteilhafte Kombinationsmöglichkeit mit der asymmetrischen Ausgestaltung der Schaltungsinnenseite und der Schaltungsaußenseite ergibt und ein Trafo im Zwischenkreiselement kleiner dimensioniert sein kann. Dadurch kann eine Streuinduktivität des Transformatorelementes vorteilhaft mit der Drossel zur Vermeidung hoher Betriebsfrequenzen eingesetzt werden.
Die Reihenparallelschaltung kann dabei umfassen, dass die Brückeneinheiten auf der Schaltungsinnenseite teilweise oder vollständig parallel zueinander geschaltet sind und zwei oder mehr parallel zueinander geschaltete Brückeneinheiten miteinander in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass zweimal zwei Brückeneinheiten jeweils zu einem Parallelpaar parallel geschaltet sind und die beiden Parallelpaare in Reihe geschaltet sind. Somit können die Brückeneinheiten kaskadenförmig, insbesondere in einem zweimal-zwei-Muster angeordnet sein. Weiterhin kann bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die erste Stromrichterstufe zumindest eine dreistufige Umrichtereinheit, vorzugsweise drei dreistufige Umrichtereinheiten, aufweist. Insbesondere kann die zumindest eine Umrichtereinheit eine 3L-NPC- Topologie aufweisen, d. h. es kann sich bei der zumindest einen dreistufigen Umrichtereinheit um einen Konverter vom Typ eines dreistufigen Neutral-Point- Clamped-Konverters handeln. Dadurch kann die Umrichtereinheit insbesondere für hohe Leistungsbereiche und/oder mit reduzierten EMV-Filtermaßnahmen der Stromrichtervorrichtung ausgelegt sein. Gleichzeitig können Verluste durch die dreistufige Umrichtereinheit auch in hohen Leistungsbereichen gering gehalten werden.
Es ist ferner bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung denkbar, dass der Wechselspannungsanschluss der ersten Stromrichterstufe zumindest drei Phasenverbindungen aufweist, die insbesondere stufenmittig mit den Umrichtereinheiten verschaltet sind. Dadurch kann die Stromrichtervorrichtung insbesondere für mehrphasige Wechselspannungseinheitenausgelegt sein. Insbesondere weisen derartige Wechselspannungseinheiten hohe Leistungsbereiche auf, bei denen Schaltungsverluste zu entsprechend hohen Energieverlusten führen können. Folglich kann durch die Kombination mit der asymmetrischen Ausgestaltung der Schaltungsinnenseite und der Schaltungsaußenseite und die damit ermöglichte geringe Betriebsspannung der Schaltelemente ein hoher Energieverlust auch bei einer mehrphasigen Wechselspannungseinheit mit hohem Leistungsbereich verhindert werden.
Vorzugsweise kann bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung die Kontrolleinheit ein Richtungsmodul zum bidirektionalen Betreiben der Stromrichtereinheit aufweisen. Durch das Richtungsmodul kann die Stromrichtereinheit vorzugsweise zwischen dem Lademodus und dem Entlademodus umschaltbar sein. Dadurch kann die Richtung eines Leistungsflusses beeinflusst werden. Insbesondere ist die Stromrichtereinheit bidirektional betreibbar. Dadurch kann sowohl ein Entladen, als auch ein Laden der Gleichspannungseinheit ermöglicht sein. Darunter ist insbesondere eine Energieentnahme vom und eine Energierückgabe an das Wechselspannungsnetz zu verstehen. Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung denkbar, dass eine Messvorrichtung zum Bestimmen des Leistungsbereiches mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Vorzugsweise kann die Messvorrichtung mit der Kontrolleinheit in Datenkommunikationsverbindung stehen, um Messergebnisse an die Kontrolleinheit weiterzuleiten. Durch die Messvorrichtung kann somit regelmäßig oder ständig eine aktuelle Eingangs- und/oder Ausgangsleistung der Stromrichtervorrichtung überprüfbar sein, um eine vorteilhafte Ansteuerung, insbesondere im Hoch- Niedrig- und/oder Geringstleistungsbereich, realisieren zu können. Die Messvorrichtung kann ein Voltmeter und/oder ein Amperemeter aufweisen, um Stromparameter zum Bestimmen des Leistungsbereiches messen zu können.
Es ist ferner bei einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung denkbar, dass die zweite Stromrichterstufe, insbesondere auf der Schaltungsaußenseite, eine Umschalteinheit zum Umschalten zwischen einer Hochspannungsbetriebsart und einer Hochstrombetriebsart aufweist, insbesondere wobei die Brückeneinheiten bei der Hochstrombetriebsart, insbesondere auf der Schaltungsaußenseite, in einer Parallelschaltung und bei der Hochspannungsbetriebsart in einer Reihen- Parallelschaltung verbunden sind. Dadurch kann ein ein Spannungsbereich und/oder ein Strombereich, der Stromrichtervorrichtung noch weiter vergrößert sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Stromrichtervorrichtung bei der Hochspannungsbetriebsart mit einer höheren Ausgangsspannung betreibbar ist, als bei der Hochstrombetriebsart und bei der Hochstrombetriebsart mit einer höheren Stromstärke betreibbar ist, als bei der Hochspannungsbetriebsart. Bei der Hochspannungsbetriebsart kann die Stromrichtervorrichtung insbesondere bei einer Gleichspannung von bis zu 400V und einer Stromstärke von bis zu 150A betreibbar sein oder betrieben werden. Bei der Hochstrombetriebsart kann die Stromrichtervorrichtung insbesondere bei einer Gleichspannung von bis zu 200V und einer Stromstärke von bis zu 300A betreibbar sein oder betrieben werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Testsystem zum Testen einer Gleichspannungseinheit in Form eines Energiespeichers, insbesondere für ein Fahrzeug, vorgesehen. Das Testsystem weist eine Wechselspannungseinheit, insbesondere in Form einer elektrischen Maschine oder eines Wechselstromnetzes, und die Gleichspannungseinheit auf. Ferner ist vorgesehen, dass die Wechselspannungseinheit und die Gleichspannungseinheit durch eine erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung verbunden sind, insbesondere in bidirektionaler und galvanisch getrennter Weise.
Somit bringt ein erfindungsgemäßes Testsystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung beschrieben worden sind. Durch das Testsystem kann der Energiespeicherinsbesondere in einem Entlade- und/oder einem Ladebetrieb betrieben werden. Dabei können Rippelströme induziert oder eingeprägt werden und/oder das Batterieverhalten in unterschiedlichen Betriebssituationen getestet und/oder überwacht werden. Insbesondere durch die erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung ist dies bei geringen Verlusten in einem breiten Leistungsbereich möglich. Bei dem Energiespeicher handelt es sich vorzugsweise um ein Batteriemodul, eine Batteriezelle oder eine Batterie. Das Batteriemodul kann mehrere zusammengeschaltete Batteriezellen umfassen. Es ist denkbar, dass die Gleichspannungseinheit mehrere Batteriemodule aufweist, die mit der Stromrichtervorrichtung verbunden sind. Insbesondere kann die gesamte Batterie des Fahrzeuges mit der Stromrichtervorrichtung verbunden sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich vorzugsweise um ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ansteuern einer Stromrichtervorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung, vorgesehen. Dabei ist die Stromrichtervorrichtung mit einer Wechselspannungseinheit und einer Gleichspannungseinheit verbunden, so dass ein Strom zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit über eine erste und eine zweite Stromrichterstufe der Stromrichtervorrichtung umwandelbar ist. Zum Umwandeln des Stromes zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit werden die Brückeneinheiten für einen Hochleistungsbereich in einem ersten Betriebsmodus angesteuert, in welchem die Brückeneinheiten in einem ersten Schaltzustand betrieben werden, und die Brückeneinheiten für einen Geringstleistungsbereich in einem zweiten Betriebsmodus angesteuert werden, in welchem zumindest zwei der Brückeneinheiten im ersten Schaltzustand und zumindest zwei der Brückeneinheiten in einem zweiten Schaltzustand betrieben werden. Das Umwandeln eines Stromes zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit kann beispielsweise durch Schaltelemente der ersten und der zweiten Stromrichterstufe, insbesondere bei Vorliegen der Zwischenkreisspannung erfolgen. Dabei können zumindest die Schaltelemente der zweiten Stromrichterstufe bei einer Betriebsspannung betrieben werden, die, insbesondere betragsmäßig, geringer ist, als eine Zwischenkreisspannung, die zwischen der ersten Stromrichterstufe und der zweiten Stromrichterstufe erzeugt wird.
Insbesondere kann das Verfahren ferner folgenden Schritt umfassen:
- Erzeugen der Zwischenkreisspannung zwischen der ersten Stromrichterstufe und der zweiten Stromrichterstufe, insbesondere beim Umwandeln eines Stromes zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit.
Vorteilhafterweise kann die Stromrichtervorrichtung Teil eines erfindungsgemäßen Testsystems sein. Das Erzeugen der Zwischenkreisspannung kann vor dem Umwandeln des Stromes durchgeführt werden oder gleichzeitig mit dem Umwandeln des Stromes. Insbesondere ist es ebenfalls denkbar, dass das Erzeugen der Zwischenkreisspannung durch eine Teilumwandlung des Stromes durch die erste oder zweite Stromrichterstufe erfolgt. Vorzugsweise können die Verfahrensschritte durch eine Kontrolleinheit der Stromrichtervorrichtung ausgeführt oder initiiert werden.
Es ist ferner bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bestimmen eines Leistungsbereiches der Stromrichtervorrichtung,
- Ansteuern einer zweiten Stromrichterstufe in Abhängigkeit von dem Leistungsbereich, wobei die zweite Stromrichterstufe mit einem ersten Betriebsmodus angesteuert wird, wenn sich die Stromrichtervorrichtung in einem Hochleistungsbereich befindet, und mit einem zweiten Betriebsmodus, wenn sich die Stromrichtervorrichtung in einem Geringstleistungsbereich befindet. Der Leistungsbereich kann durch eine Messvorrichtung und/oder eine Kontrolleinheit der Stromrichtervorrichtung bestimmt werden. Dazu kann eine Spannung und ein Strom am Gleichspannungsanschluss und/oder am Wechselspannungsanschluss gemessen werden. Durch die zwei, insbesondere drei Betriebsmodi kann eine vorteilhafte Schaltungsmöglichkeit der zweiten Stromrichterstufe in Abhängigkeit von dem Leistungsbereich gegeben sein. Dadurch kann über einen breiten Leistungsbereich ein effizienter Betrieb der Stromrichtervorrichtung ermöglicht sein.
Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise vorgesehen, dass beim Ansteuern der zweiten Stromrichterstufe im ersten Betriebsmodus ein Leistungsfluss zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit, insbesondere vollständig, in einer ersten Richtung orientiert wird, insbesondere wobei im zweiten Betriebsmodus ein Leistungsfluss zwischen der Wechselspannungseinheit und der Gleichspannungseinheit teilweise in der ersten Richtung und teilweise in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, orientiert wird. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die zweite Stromrichterstufe im zweiten Betriebsmodus in einem Zirkulationsbetrieb betrieben wird, in welchem eine Orientierung des Leistungsflusses, insbesondere oszillierend, geändert wird. Insbesondere können Brückeneinheiten oder Paare von Brückeneinheiten der zweiten Stromrichterstufe wechselweise in der vorgegebenen Richtung und der der vorgegebenen Richtung entgegengesetzten Richtung betrieben werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die zweite Stromrichterstufe für einen Niederigleistungsbereich in einem dritten Betriebsmodus betrieben wird. Im dritten Betriebsmodus können vorteilhafterweise zumindest zwei der Brückeneinheiten im ersten Schaltzustand und zumindest zwei der Brückeneinheiten in einem dritten Schaltzustand betrieben werden. Der dritte Schaltzustand der Brückeneinheiten kann vorzugsweise eine Deaktivierung der jeweiligen Brückeneinheiten umfassen. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Stromrichterstufe in schematischer Darstellung,
Figuren 2-4 die zweite Stromrichterstufe in einem ersten, einem zweiten und einem dritten Betriebsmodus in einer Flochstrombetriebsart,
Figur 5 die zweite Stromrichterstufe in einer Hochspannungsbetriebsart,
Figur 6 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung,
Figur 7 Leistungsbereiche der erfindungsgemäßen Stromrichtervorrichtung in einem Diagramm.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 7 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Testsystem zum Testen einer Gleichspannungseinheit 2. Dabei ist eine erfindungsgemäße Stromrichtervorrichtung 10 zwischen die Gleichspannungseinheit 2 und eine Wechselspannungseinheit 3 geschaltet. Die Stromrichtervorrichtung 10 ist über einen Gleichspannungsanschluss 34 mit der Gleichspannungseinheit 2 und über einen Wechselspannungsanschluss 24 mit der Wechselspannungseinheit 3 verbunden. Um einen Strom zwischen der Wechselspannungseinheit 3 und der Gleichspannungseinheit 2 umzuwandeln, weist die Stromrichtervorrichtung 10 eine Stromrichtereinheit 11 mit einer ersten Stromrichterstufe 20 und einer zweiten Stromrichterstufe 30 auf. Vorzugsweise ist die erste Stromrichterstufe 20 als AC/DC-Konverter und die zweite Stromrichterstufe 30 als DC/DC-Konverter ausgebildet. Die Stromrichtereinheit 11 ist dabei bidirektional ausgebildet, so dass ein Leistungsfluss 202 sowohl von der Wechselspannungseinheit 3 zur Gleichspannungseinheit 2, als auch von der Gleichspannungseinheit 2 zur Wechselspannungseinheit 3 gerichtet werden kann.
Die Stromrichtereinheit 11 ist durch die Stromrichterstufe 30 galvanisch isoliert ausgebildet.
Bei der Wechselspannungseinheit 3 handelt es sich um eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige Wechselspannungseinheit 3. Daher weist der Wechselspannungsanschluss 24 drei Phasenverbindungen 24.1 auf. Die erste Stromrichterstufe 20 weist ferner drei dreistufige Umrichtereinheiten 21 , insbesondere mit einer 3L-NPC-Topologie, auf. Dabei weist jede der Umrichtereinheiten 21 vier Schaltelemente 22 auf, durch welche eine Umwandlung des Stromes zwischen der Wechselspannungseinheit 3 und der zweiten Stromrichterstufe 30 ermöglicht ist.
Die erste Stromrichterstufe 20 ist ferner mit der zweiten Stromrichterstufe 30 auf einer Schaltungsinnenseite 23 der zweiten Stromrichterstufe 30 über ein Zwischenkreiselement 25 verbunden. Dabei weist das Zwischenkreiselement 25 zwei Zwischenkreiskapazitäten 25.1 , insbesondere in Form von Zwischenkreiskondensatoren, auf. Im Betrieb der Stromrichtervorrichtung 10 führt das Zwischenkreiselement 25 eine Zwischenkreisspannung 200. Zum Umwandeln 104 einer Gleichspannung zwischen der ersten Stromrichterstufe 30 und/oder dem Zwischenkreiselement 25 und der Gleichspannungseinheit 2 weist die zweite Stromrichterstufe 30 ferner vier Brückeneinheiten 31 auf, die auf der Schaltungsinnenseite 23 in Form einer Reihen-Parallelschaltung und auf einer Schaltungsaußenseite 33, an welcher die zweite Stromrichterstufe 30 mit der Gleichspannungseinheit 2 verbunden ist, in einer Flochstrombetriebsart 230 in einer Parallelschaltung verschaltet sind. Die zwei parallel geschalteten Paare der Brückenelemente 31 sind ferner in Reihe zueinander geschaltet, so dass sich eine kaskadierende Anordnung von zweimal zwei Brückenelementen 31 ergibt. Zur Umwandlung des Stromes weisen die Brückeneinheiten 31 jeweils zwei Vollbrückenelemente 31.1 mit jeweils vier Schaltelementen 32, insbesondere in Form von Halbleiterschaltern, auf. Zwischen den Vollbrückenelementen 31.1 sind Transformatorelemente 31.2, insbesondere in Form von
Hochfrequenztransformatoren, zur galvanischen Trennung der Vollbrückenelemente 31.1 voneinander vorgesehen. Zum Umwandeln 104 des Stromes in der zweiten Stromrichterstufe 30 kann auf der Schaltungsaußenseite 33 ein weiteres Zwischenkreiselement 35 vorgesehen sein.
Insbesondere durch die Kombination der Parallelschaltung der Brückeneinheiten 31 an der Schaltungsaußenseite 33 und der Reihen-Parallelschaltung der Brückeneinheiten 31 an der Schaltungsinnenseite 23 ist somit in der Hochstrombetriebsart 230 eine asymmetrische Ausbildung der Schaltungsinnenseite 23 und der Schaltungsaußenseite 33 zueinander gegeben. Vorzugsweise wird durch die Kontrolleinheit 12 ermöglicht, die Schaltelemente 32 der zweiten Stromrichterstufe 30 bei Vorliegen der Zwischenkreisspannung 200 am Zwischenkreiselement 25 unter einer Betriebsspannung 201 zu betreiben, die geringer ist, als die Zwischenkreisspannung 200. Vorzugsweise kann die Betriebsspannung 201 50% der Zwischenkreisspannung 200 betragen.
Insbesondere können die Brückeneinheiten 31 dazu ferner mit einem neutralen Leiter der Umrichtereinheiten 21 verbunden sein. Dadurch, dass die Betriebsspannung 201 geringer ist, als die Zwischenkreisspannung 200, kann die Stromrichtereinheit 11 und damit die Stromrichtervorrichtung 10 bei einer hohen Effizienz und mit geringen Verlusten an den Schaltelementen 32 über einen breiten Leistungsbereich 210 betrieben werden. Insbesondere kann die zweite Stromrichterstufe 30 in einem Interleaved-Betrieb betrieben werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zum Ansteuern der Stromrichtervorrichtung 10 ist in Figur 6 in schematischer Darstellung der Verfahrensschritte gezeigt. Dabei erfolgt ein Erzeugen 101 der Zwischenkreisspannung 200 am Zwischenkreiselement 25 zum Umwandeln 104 des Stromes zwischen der Wechselspannungseinheit 3 und der Gleichspannungseinheit 2. Vorzugsweise kann die Stromrichtervorrichtung 10 über einen Bereich von 5V bis 200V einer Anschlussspannung 203 am Gleichspannungsanschluss 34 und/oder über einen Bereich von 0A oder im Wesentlichen 0A bis 600A eines Anschlussstromes 203.1 am Gleichspannungsanschluss 34 betrieben werden. Ein Bestimmen 102 des Leistungsbereiches 210 kann insbesondere durch eine Messvorrichtung 13 erfolgen, die am Gleichspannungsanschluss 34 angeordnet ist. In Abhängigkeit von dem Leistungsbereich 210 kann ein Ansteuern 103 der Stromrichtereinheit 11 durch eine Kontrolleinheit 12 ermöglicht sein. Dazu weist die Kontrolleinheit 12 ein erstes Betriebsmodul 12.1 zum Betreiben der Stromrichtereinheit 11 in einem ersten Betriebsmodus I, ein zweites Betriebsmodul 12.2 zum Betreiben der Stromrichtereinheit 11 in einem zweiten Betriebsmodus II, und ein drittes Betriebsmodul 12.3 zum Betreiben der Stromrichtereinheit 11 in einem dritten Betriebsmodus III auf. Der erste Betriebsmodus I ist dabei für einen Hochleistungsbereich 211 vorgesehen, der zweite Betriebsmodus II für einen Geringstleistungsbereich 213 und der dritte Betriebsmodus III für einen Niedrigleistungsbereich 212. Figur 7 zeigt den Hochleistungsbereich 211 , den Geringstleistungsbereich 213 und den Niedrigleistungsbereich 212 schematisch in einem Diagramm mit der Anschlussspannung 203 in Volt gegenüber dem Anschlussstrom 203.1 in Ampere. Insbesondere umfasst der Geringstleistungsbereich 213 Nennleistungen am Gleichspannungsanschluss 34 von 0 bis 40% einer maximalen Nennleistung der Stromrichtereinheit 11 und der Hochleistungsbereich 211 Nennleistungen 40% bis 100% der maximalen Nennleistung. Der Niedrigleistungsbereich 212 umfasst insbesondere Nennleistungen von 20% bis 40% der maximalen Nennleistung.
Figur 2 zeigt die zweite Stromrichterstufe 30 im ersten Betriebsmodus I und Figur 3 zeigt die zweite Stromrichterstufe 30 im zweiten Betriebsmodus II in vereinfachter, schematischer Darstellung. Im ersten Betriebsmodus I ist der Leistungsfluss 202 aller Brückenelemente 31 der zweiten Stromrichterstufe 30 gemeinsam in eine Richtung orientiert. Die Richtung kann von der Wechselspannungseinheit 3 zur Gleichspannungseinheit 2 (in Figur 2 gestrichelt dargestellt) oder umgekehrt (in Figur 2 als Volllinie dargestellt) verlaufen. Insbesondere kann die Kontrolleinheit 12 ein Richtungsmodul 12.5 zum Bestimmen einer Richtung des Leistungsflusses 202 aufweisen. Durch das Richtungsmodul 12.5 kann ein Lademodus der Stromrichtereinheit 11 zum Laden der Gleichspannungseinheit 2 und/oder ein Entlademodus der Stromrichtereinheit 11 zum Entladen der Gleichspannungseinheit 2 ermöglicht sein. In Abhängigkeit davon, ob die Stromrichtereinheit 11 im Lademodus oder im Entlademodus betrieben wird, kann der Leistungsfluss 202 orientiert sein. Im zweiten Betriebsmodus II ist vorgesehen, dass die Brückeneinheiten 31 , insbesondere angesteuert durch das zweite Betriebsmodul 12.2 der Kontrolleinheit 12, paarweise versetzt geschaltet werden, so dass der Leistungsfluss 202 von zwei der Brückeneinheiten 31 in eine erste Richtung orientiert ist und der Leistungsfluss 202 der zwei anderen Brückeneinheiten 31 in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung, orientiert ist. Vorzugsweise können die Brückeneinheiten 31 durch ein Zirkulationsmodul 12.4 der Kontrolleinheit 12 in einem Zirkulationsbetrieb 103.1 betrieben werden, so dass die Schaltzustände 220, 221 und damit die Richtung des Leistungsflusses 202, insbesondere gegenläufig, wechseln (in Figur 3 gestrichelt dargestellt). Somit kann durch die Stromrichtervorrichtung 10 vorteilhaft über einen breiten Leistungsbereich 210 betrieben werden.
Figur 4 zeigt die zweite Stromrichterstufe 30 in einem dritten Betriebsmodus III zum Ansteuern der Brückeneinheiten 31 in einem Niedrigleistungsbereich 212 der zweiten Stromrichterstufe 30. Im dritten Betriebsmodus III sind zumindest zwei der Brückeneinheiten 31 im ersten Schaltzustand 220 und zumindest zwei der Brückeneinheiten 31 in einem dritten Schaltzustand 222 betreibbar, in welchem eine Deaktivierung der jeweiligen Brückeneinheiten 31 vorgesehen ist. Somit wird von zwei der Brückeneinheiten 31 im dritten Betriebsmodus III keine Leistung übertragen. Durch das Zirkulationsmodul 12.4 können die Brückeneinheiten 31 im dritten Betriebsmodus III, insbesondere paarweise alternierend, deaktivierbar und aktivierbar sein.
Von der Hochstrombetriebsart 230 kann die zweite Stromrichterstufe 30 vorzugsweise in eine Hochspannungsbetriebsart 231 umgeschaltet werden. Dazu weist die Stromrichtervorrichtung 10 eine Umschalteinheit 14 auf. Figur 5 zeigt die zweite Stromrichterstufe 30 in der Hochspannungsbetriebsart 231. Dabei ist die Schaltungsinnenseite 23 und die Schaltungsaußenseite 33 der zweiten Stromrichterstufe 30 symmetrisch ausgebildet. Insbesondere sind die Brückeneinheiten 31 bei der Hochspannungsbetriebsart 231 beidseitig in einer Reihen-Parallelschaltung verschaltet. Bei der Hochspannungsbetriebsart 231 kann die zweite Stromrichterstufe 30 vorzugsweise ebenfalls im ersten, zweiten und/oder dritten Betriebsmodus I, II, III betrieben werden.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. Bezugszeichenliste
2 Gleichspannungseinheit
3 Wechselspannungseinheit
10 Stromrichtervorrichtung
11 Stromrichtereinheit
12 Kontrolleinheit
12.1 erstes Betriebsmodul
12.2 zweites Betriebsmodul
12.3 drittes Betriebsmodul
12.4 Zirkulationsmodul
12.5 Richtungsmodul
13 Messvorrichtung
14 Umschalteinheit
20 erste Stromrichterstufe
21 Umrichtereinheit
22 Schaltelement
23 Schaltungsinnenseite
24 Wechselspannungsanschluss
24.1 Phasenverbindung
25 Zwischenkreiselement
30 zweite Stromrichterstufe
31 Brückeneinheit
31.1 Vollbrückenelement
31.2 Transformatorelement
32 Schaltelement
33 Schaltungsaußenseite
34 Gleichspannungsanschluss
35 Zwischenkreiselement 100 Verfahren
101 Erzeugen von 200
102 Bestimmen von 210
103 Ansteuern von 20
103.1 Zirkulationsbetrieb
104 Umwandeln 00 Zwischenkreisspannung 01 Betriebsspannung 02 Leistungsfluss 03 Anschlussspannung 03.1 Anschlussstrom 10 Leistungsbereich 11 Hochleistungsbereich 12 Niedrigleistungsbereich 13 Geringstleistungsbereich
220 erster Schaltzustand
221 zweiter Schaltzustand
222 dritter Schaltzustand
230 Hochstrombetriebsart
231 Hochspannungsbetriebsart
I erster Betriebsmodus
II zweiter Betriebsmodus
III dritter Betriebsmodus

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichtervorrichtung (10) aufweisend eine Stromrichtereinheit (11) zum Verbinden einer Wechselspannungseinheit (3) mit einer Gleichspannungseinheit (2), wobei die Stromrichtereinheit (11) zumindest eine erste Stromrichterstufe (20) und eine zweite Stromrichterstufe (30) zum Umwandeln (104) eines Stromes zwischen der Gleichspannungseinheit (2) und der Wechselspannungseinheit (3) aufweist, wobei die erste Stromrichterstufe (20) einen Wechselspannungsanschluss (24) zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Wechselspannungseinheit (3) aufweist, wobei die zweite Stromrichterstufe (30) einen Gleichspannungsanschluss (34) zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Gleichspannungseinheit (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromrichterstufe (30) zumindest vier Brückeneinheiten (31) aufweist und eine Kontrolleinheit (12) mit einem ersten Betriebsmodul (12.1) zum Ansteuern der Brückeneinheiten (31) in zumindest einem ersten Betriebsmodus (I) für einen Hochleistungsbereich (211) und einem zweiten Betriebsmodul (12.2) zum Ansteuern der Brückeneinheiten (31) in einem zweiten Betriebsmodus (II) für einen Geringstleistungsbereich (213) vorgesehen ist, wobei im ersten Betriebsmodus (I) die Brückeneinheiten (31) in einem ersten Schaltzustand (220) betreibbar sind und im zweiten Betriebsmodus (II) zumindest zwei der Brückeneinheiten (31) im ersten Schaltzustand (220) und zumindest zwei der Brückeneinheiten (31) in einem zweiten Schaltzustand (221) betreibbar sind.
2. Stromrichtervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltzustand (220) der Brückeneinheiten (31) einen Leistungsfluss (202) in einer ersten Richtung umfasst, insbesondere wobei der zweite Schaltzustand (221) der Brückeneinheiten (31) einen Leistungsfluss (202) in einer zweiten Richtung umfasst, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. 3. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (12) ein drittes Betriebsmodul (12.
3) zum Ansteuern der Brückeneinheiten (31) in einem dritten Betriebsmodus (III) für einen Niedrigleistungsbereich (212) aufweist, wobei im dritten Betriebsmodus (III) zumindest zwei der Brückeneinheiten (31) im ersten Schaltzustand (220) und zumindest zwei der Brückeneinheiten (31) in einem dritten Schaltzustand (222) betreibbar sind, insbesondere wobei der dritte Schaltzustand (222) der Brückeneinheiten (31) eine Deaktivierung der jeweiligen Brückeneinheiten (31) umfasst.
4. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (12) ein Zirkulationsmodul (12.4) aufweist, um die Brückeneinheiten (31) im zweiten und/oder dritten Betriebsmodus (II, III), insbesondere paarweise, zirkulierend zu schalten.
5. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromrichterstufe (30) auf einer Schaltungsinnenseite (23) über ein Zwischenkreiselement (25) zum Führen einer Zwischenkreisspannung (200) mit der ersten Stromrichterstufe (20) elektrisch gekoppelt ist und auf einer Schaltungsaußenseite (33) den Gleichspannungsanschluss (34) zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Gleichspannungseinheit (2) aufweist.
6. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsinnenseite (23) und die Schaltungsaußenseite (33) der zweiten Stromrichterstufe (30) asymmetrisch und/oder symmetrisch zueinander ausbildbar sind, um die Schaltelemente (32) der zweiten Stromrichterstufe (30) unter einer Betriebsspannung (201) zu betreiben, die geringer ist, als die Zwischenkreisspannung (200).
7. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Brückeneinheiten (31) zwei aktive Vollbrückenelemente (31.1) aufweist, die galvanisch voneinander getrennt sind, insbesondere wobei zwischen den Vollbrückenelementen (31.1) ein Transformatorelement (31.2) angeordnet ist.
8. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromrichterstufe (20) zumindest eine dreistufige Umrichtereinheit (21), vorzugsweise drei dreistufige Umrichtereinheiten (21), aufweist.
9. Stromrichtervorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsanschluss (24) der ersten Stromrichterstufe (20) zumindest drei Phasenverbindungen (24.1) aufweist, die, insbesondere stufenmittig, mit den Umrichtereinheiten (21) verschaltet sind.
10. Stromrichtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (12) ein Richtungsmodul (12.5) zum bidirektionalen Betreiben der Stromrichtereinheit (11) aufweist.
11. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (13) zum Bestimmen eines Leistungsbereiches (210) mit dem Gleichspannungsanschluss (34) verbunden ist.
12. Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromrichterstufe (30) eine Umschalteinheit (14) zum Umschalten zwischen einer Hochspannungsbetriebsart (231) und einer Hochstrombetriebsart (230) aufweist, insbesondere wobei die Brückeneinheiten (31) bei der Hochstrombetriebsart (230) in einer Parallelschaltung und bei der Hochspannungsbetriebsart (231) in einer Reihen-Parallelschaltung verbunden sind.
13. Testsystem zum Testen einer Gleichspannungseinheit (2) in Form eines Energiespeichers, insbesondere für ein Fahrzeug, aufweisend eine Wechselspannungseinheit (3) und die Gleichspannungseinheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungseinheit (3) und die Gleichspannungseinheit (2) durch eine Stromrichtervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden sind.
14. Verfahren (100) zum Ansteuern einer Stromrichtervorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Stromrichtervorrichtung (10) mit einer Wechselspannungseinheit (3) und einer Gleichspannungseinheit (2) verbunden ist, so dass ein Strom zwischen der Wechselspannungseinheit (3) und der Gleichspannungseinheit (2) über eine erste und eine zweite Stromrichterstufe (20, 30) der Stromrichtervorrichtung (10) umwandelbar ist, wobei die zweite Stromrichterstufe (30) zumindest vier Brückeneinheiten (31) aufweist, wobei die Brückeneinheiten (31) zum Umwandeln (104) des Stromes zwischen der Wechselspannungseinheit (3) und der Gleichspannungseinheit (2) für einen Hochleistungsbereich (211) in einem ersten Betriebsmodus (I) angesteuert werden, in welchem die Brückeneinheiten (31) in einem ersten Schaltzustand (220) betrieben werden, und die Brückeneinheiten (31) für einen Geringstleistungsbereich (213) in einem zweiten Betriebsmodus (II) angesteuert werden, in welchem zumindest zwei der Brückeneinheiten (31) im ersten Schaltzustand (220) und zumindest zwei der Brückeneinheiten (31) in einem zweiten Schaltzustand (221) betrieben werden.
PCT/AT2020/060448 2019-12-12 2020-12-11 Stromrichtervorrichtung, testsystem, sowie verfahren zum ansteuern einer stromrichtervorrichtung WO2021113894A1 (de)

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