WO2022207812A1 - Charging station and method for operating a charging station - Google Patents

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WO2022207812A1
WO2022207812A1 PCT/EP2022/058615 EP2022058615W WO2022207812A1 WO 2022207812 A1 WO2022207812 A1 WO 2022207812A1 EP 2022058615 W EP2022058615 W EP 2022058615W WO 2022207812 A1 WO2022207812 A1 WO 2022207812A1
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czvs
voltage
converter
capacitor
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PCT/EP2022/058615
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Johannes Visosky
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KEBA Energy Automation GmbH
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    • H02M1/34Snubber circuits
    • H02M1/346Passive non-dissipative snubbers

Definitions

  • the invention relates to a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle with electrical energy using a multiphase network that can be coupled to the charging station, which has a bidirectional DC/DC converter for converting an input-side intermediate circuit voltage into an output voltage and vice versa. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a charging station.
  • the present technical field relates to the charging of an energy store in an electric vehicle.
  • the applicant's European patent EP 2 882 607 B1 describes a charging station for electric vehicles, with at least one input interface for feeding electrical energy from a stationary power supply network into the charging station, with a connection socket for connecting a charging plug of an electric vehicle for the controlled delivery of electrical energy to the electric vehicle, with a plurality of electrotechnical components comprising an electronic control device for switching, measuring or monitoring the recorded and / or emitted electrical energy, and with a housing enclosing the electrotechnical African components.
  • Different charging methods are known for electric vehicles, for example there are fast charging methods in which the charging station provides the electric vehicle with direct voltage/current (DC), or alternatively alternating current charging - methods in which the electric vehicle has single-phase or multi-phase, in particular two-phase or three-phase, alternating current (AC) is made available, which the charging vehicle converts to using a built-in AC/DC converter Converts direct current for the energy storage device to be loaded.
  • DC direct voltage/current
  • AC alternating current
  • a charging logic in the vehicle or in the energy store controls the charging process.
  • a DC/DO converter also referred to as a DC voltage converter, enables a DC voltage on the input side or a DC voltage fed into the intermediate circuit to be converted into an output voltage with a higher or lower or an inverted voltage level at the output U out .
  • the implementation takes place with the help of semiconductor switches and one or more energy stores such as inductances or capacitances or capacitors.
  • DC voltage converters of this type are also referred to as DC choppers.
  • the DC/DC converter considered here works bidirectionally, ie energy can flow in both directions from input to output and/or from output to input.
  • the flow of current can be routed both from the source to the load and from the load to the source.
  • the level of the output voltage can be higher or lower than the respective input voltage depending on the selection of the input and the output.
  • the DC/DC converter considered here is based on the principle of the synchronous converter, which is also referred to as a DC voltage transformer.
  • a DC voltage transformer By cyclically switching semiconductor switches, energy is stored in a magnetic field of a storage choke, which can be cyclically charged or discharged.
  • MOSFETs, IGBTs or other high-voltage semiconductor switches are used as semiconductor switches.
  • the DC/DC converter under consideration can be viewed as a combination of a step-up and a step-down converter.
  • the level of the output voltage is determined by the switch-on and switch-off time of the semiconductor switch, and thus by the duty cycle.
  • DE 10 2018 206 388 A1 shows a DC/DC converter that includes an oscillating circuit and a transformer, with the transformer being supplied with alternating current by a half bridge, and a downstream rectifier providing a DO voltage on the output side.
  • a topology cannot be operated bidirectionally .
  • EP 3 255 772 A1 shows a DC/DO converter which also supplies current to a transformer by means of an inverter bridge, with the AO voltage on the secondary side being able to be converted back to DO via a half or full bridge, including a multi-stage bridge.
  • DC/DO converters can work bidirectionally, since they use controllable half or full bridges on both sides of the transformer, the energy flow takes place via an AC-operated transformer with corresponding energy losses and component costs
  • WO 2012/116953 A1 shows a DC/DC converter which is also based on a transformer-type coupling between the input and output sides, and uses an inverter bridge on the one hand and a three-point half bridge on the other to convert energy to be transmitted bidirectionally.
  • Zero voltage switching It is also known to use the principle of so-called zero voltage switching (ZVS) in a DC/DO conversion to determine the switching point of the semiconductor switches used, in order to achieve high efficiency by using resonant switching topologies.
  • ZVS switching is also referred to as soft switching.
  • ZVS switching With this Zero Voltage Switching concept, switching losses can be almost completely eliminated, especially when switching on.
  • a reversing capacitor at the switching output of a semiconductor bridge also known as a snubber capacitor, which significantly reduces turn-off losses.
  • the DC/DO converters known from the prior art either have poor efficiency because a ZVS concept cannot be implemented, or they have high material costs because an expensive and lossy transformer has to be used.
  • the known concepts do not allow an output potential to be made available that can be set symmetrically to ground, it being desirable to limit or minimize the voltage potential of the output potential tap DC+, DO to ground, in particular to provide an output voltage symmetrical to ground.
  • the task is solved by a charging station having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 18 .
  • a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle with electrical energy using a multi-phase network that can be coupled to the charging station, the charging station having a number of phases (also denoted by LI, L2, L3 ) of the multiphase network that can be coupled AC/DC converter, an intermediate circuit downstream of the AC/DC converter and an intermediate circuit Circuit downstream bidirectional DC / DO converter for converting an input-side intermediate circuit voltage Uzk in an output voltage and vice versa.
  • phases also denoted by LI, L2, L3
  • the DC/DC converter comprises a series connection of two half-bridges Hl, H2, each with two semiconductor switches TI, T2 and T3, T4, with each half-bridge Hl, H2 between an input-side intermediate voltage potential rail ZK+, ZK- with intermediate circuit voltage U zk and a middle potential rail ZM is connected with symmetrical, particularly symmetrical to ground, voltage U zk+, U zk .
  • Each center tap Ml, M2 of the half-bridge Hl, H2 is connected to its own storage choke LS+, LS- and a storage capacitor Cs, which is in particular common, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series.
  • At least one reversing capacitor C Z vs is connected to the center tap M1, M2 of each half-bridge H1, H2.
  • a DC/DC converter which, in principle, can be viewed as a series connection of two synchronous converters.
  • a reversing capacitor C Z vs, C Z vs+, C Z v S , C Z vs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- is connected to the center tap of each half-bridge, each of which defines a synchronous converter.
  • the input-side intermediate circuit voltage U zk is provided in particular by the AC/DC converter, in particular provided symmetrically to ground.
  • the AC/DC converter is preferably a bidirectional converter.
  • the AC/DC converter is set up in particular for converting an AC voltage into a DC voltage and/or for converting a DC voltage into an AC voltage.
  • a ground-symmetrical output voltage can be provided with the two partial voltages DC+ and DC-.
  • This has advantages in terms of electrical safety during operation and reduces the stress on the charging station's insulation.
  • the reversing capacitors CZvS connected to the center taps M1, M2 of the half-bridges H1, H2 can reduce a voltage rise speed du/dt and thus significantly improve the EMC behavior since rapid voltage jumps are avoided. Overvoltages at the semiconductors can be significantly reduced since soft switching or ZVS switching is made possible.
  • the permissible intermediate circuit voltage U z k can be designed to be almost twice the blocking voltage of a semiconductor, so that for a high intermediate circuit voltage U z k of 900-1000 V or higher, semiconductor switches with blocking voltages of 900 V or less, in particular less than or equal to 750 V or less can be used. This can be achieved in ⁇ example by SiC Mosfets. A blocking voltage down to 650 V is also possible. This makes it possible to cover large output voltage ranges U 0 ut from below 200 V up to 920 V DC with correspondingly high input voltages U z k . Since the permissible blocking voltage of Si MOSFETs is highly temperature-dependent, an output voltage U 0 ut of 920 V can be reliably provided with SiC MOSFETs even at low temperatures.
  • the proposed switching topology significantly increases the degree of effectiveness and improves the EMC behavior. Voltages that occur with respect to ground can be minimized and switching overvoltages can be limited. In particular, outputs of up to 22 kW can be provided. Compared to conventional DC/DC converters, a reduced effort with regard to the EMC output filter and a high saving in material can be achieved by doing without a converter transformer. the we- The degree of efficiency is improved in such a way that high energy savings can be achieved in the application over the service life.
  • the storage chokes can be designed separately and used magnetically uncoupled.
  • the two storage chokes LS+, LS- can be designed as a storage transformer T s that are magnetically coupled.
  • the two storage inductors LS+, LS- of each synchronous converter are arranged on a common magnetic core and magnetically coupled in the manner of a storage transformer Ts.
  • the charging station is in particular a transformerless charging station and has, for example, a housing, in particular a waterproof housing, with an interior space in which a plurality of electrical and/or electronic components and a connection socket connected to at least one of the components for connecting a charging plug for the Energy storage of the electric vehicle are arranged.
  • the charging station can also be referred to as a charging connection device.
  • the charging station is designed in particular as a wall box.
  • the charging station is suitable for charging or regenerating the energy store of an electric vehicle by electrically connecting the charging station to the energy store or the charging electronics of the electric vehicle via its connection socket and the charging plug of the electric vehicle.
  • the charging station acts as a source of electrical energy for the electric vehicle, and the electrical energy can be transferred to an energy store in the electric vehicle by means of a connection socket and charging plug.
  • the charging station can also be referred to as an intelligent charging station for electric vehicles.
  • Examples of the electrical and/or electronic components of the charging station include contactors, all-current-sensitive circuit breakers, DC, over and fault current monitoring device, relay, connection terminal, electronic circuits and a control device, for example comprising a printed circuit board, on which a plurality of electronic components for controlling and/or measuring and/or monitoring the energy states at the charging station or in the connected electric vehicle are arranged are.
  • the intermediate circuit downstream of the AC/DC converter includes, in particular, a number of intermediate circuit capacitors which are connected to an intermediate circuit center point.
  • the multiphase network is, for example, a multiphase subscriber network.
  • the multi-phase network can also be a multi-phase power supply network.
  • the polyphase network has a number of phases, for example LI, L2 and L3, and a neutral conductor (also denoted by N).
  • the “charging and/or discharging of an energy store” includes both supplying electrical energy and drawing electrical energy. This means that the energy store can act as a consumer or as a producer in the subscriber network.
  • control unit which can control individual or all elements and units of the charging station.
  • a storage capacitor C s between tween the output sides of the two storage inductors Ls + , Ls for sharing the two series-connected bidirectional synchronous converters are switched ge.
  • the storage capacitor C s which connects the output sides in the direction of the output potential taps DC+, DC- the two outputs of the storage chokes LS+, LS-, can stabilize the output voltage U 0 ut and suppress switching frequency components.
  • T3, T4 are designed as high-voltage MOSFET switching transistors with a low blocking voltage ⁇ 900 V, in particular ⁇ 750 V. This makes it possible to achieve an output voltage U out of 920 V or more.
  • semiconductors with a low blocking voltage eg semiconductors from the INFINEON CoolMOS series, can be used inexpensively and with low switching losses.
  • SiOFETs can be used as semiconductor switches, which combine a SiOJFET with a Si-MOSFET in a cascode circuit, for example the model UJ4C075018K4S from UnitedSiC.
  • the SiO cascode offers the switching behavior of a self-locking MOSFET with the positive electrical properties of a silicon carbide transistor.
  • Such semiconductor switches can advantageously be designed for blocking voltages of up to 750 V.
  • two corresponding semiconductor switches TI & T4 or T2 & T3 of the two half-bridges H1, H2 can be switched simultaneously, in particular with an identical switch-on delay.
  • the switch-on delay is used to allow the voltage at the resonant capacitors to reverse.
  • a symmetrical modulation of the control signals of the semiconductor switches TI & T4 or T2 & T3 can be achieved.
  • the semiconductor switches TI, T2, T3, T4 can be switchable with different switch-off delays for the controllable balancing of the medium voltage UZK+, UZK- of the intermediate circuit, so that Uzk+ and Uzk- can be balanced by ZM.
  • the symmetrical modulation of H1 and H2 can be used to achieve a controllable balancing of the output voltage Uout at the two output potentials DC+, DO with respect to ZM and thus to ground. This makes it possible to achieve the balancing of the output voltage U 0ut pass. In this way, asymmetries in the component parameters, such as different switching speeds, can be compensated.
  • the semiconductor switches TI, T2 are arranged in series.
  • T3, T4 can be switched to generate a storage inductor current or storage transformer current with a ripple speed greater than an average value of the DO current, so that the inductor current has a zero crossing between two switching processes.
  • the ripple current amplitude is higher than the mean value of the choke current, so a choke current has always experienced a zero crossing between two switching processes, which is a prerequisite for ZVS switching on.
  • a maximum and minimum value of the inductor current can be controlled by a current controller, for example a hysteresis current controller, which controls the switching of the semiconductor switches, so that the respective semiconductor switches are switched off when the maximum or minimum value is reached.
  • the aim is to store enough energy in the storage choke to charge the reversing capacitors, which then results in the desired control of the mean value of the choke current.
  • the semiconductor switch pairs TI and T4 or T2 and T3 can be switched either with identical turn-on times or with different turn-on times, with turn-on losses being negligible.
  • the semiconductor switches TI, T2, T3, T4 in conjunction with the reversing capacitor C Z vs, C Z vs +, C zvs -, C zvs ++, C zvs + -, C zvs - +, C zvs ZVS be switchable (zero voltage switching), in particular without voltage, can be switched on with almost no loss, and can be switched off with limited voltage rise speed with low losses.
  • low-loss turn-off can result from limiting the rate at which the voltage rises, with the semiconductor switches, in particular switching transistors, turning off faster than a voltage can build up.
  • the efficiency is significantly increased, thermal waste heat from the DC/DO converter is minimized and the service life is greatly extended, so that both energy gie recognized minimized as well as the service life of the DC / DC converter can be significantly increased ⁇ Lich.
  • At least one reversing capacitor Czvs+, Czvs per half-bridge Hl, H2 can be assigned, preferably one reversing capacitor Czvs++, Czvs+, C zvs -+, C zvs -- per semiconductor switch TI, T2, T3, T4 can be connected in parallel .
  • Each semiconductor switch is therefore assigned a resonant capacitor, so that a switching overvoltage when switching off is minimized.
  • the reversing capacitor is particularly relevant for switching off. Low-loss switching off can be achieved by additional reversing capacitors on the half- bridge outputs or in parallel with the semiconductor switches T1, T2, T3, T4.
  • a balancing of the mean voltage U z k+ , U z k can nevertheless be achieved by means of a slightly different turn-off delay .
  • a soft switching can already be achieved by a single capacitor C zvs between the two half-bridge outputs M1, M2. Even if there is no reversing capacitor, the switching losses in ZVS switching can be smaller than in the case of hard switching, since the drain/source capacitance of the semiconductors can be used as a reversing capacitor .
  • a current controller Com can be included for detecting at least one inductor current ILS of at least one storage inductor Ls + , Ls, in particular for detecting all inductor currents ILS+, ILS of the two storage inductors Ls + , Ls.
  • the current controller Com can be set up on the basis of the detected inductor current ILS switching signals ST1 , ST2, ST3, ST4 of the semiconductor switches TI, T2, T3, T4, in particular for controlling a maximum and a minimum value of the inductor current ILS ZU, testify ⁇ .
  • Ripple current control is achieved by controlling the maximum value and the minimum value of the inductor current or currents, as a result of which the mean value of the inductor current can also be adjusted.
  • the switching signals ST1 & ST4 as well as ST2 & ST3 are synchronous with one another, which means that a common-mode voltage at the output can be avoided, taking into account the ZVS requirements for the switching processes.
  • the switch-on delay ⁇ serves to reduce the voltage across the reversing capacitors, ie to let the ZVS capacitors swing around.
  • the current controller thus works as a hysteresis controller to determine the switch-on delay.
  • a slight variation of a switch-off delay of the individual switching signals can also be used to achieve active balancing of the mean voltage U zk+ , U zk .
  • the switching signals can be generated on the basis of the inductor current ILS at least one, preferably both storage inductors Ls + , Ls, so that the output voltage U out can be made available in a regulated manner. If an inductor current exceeds a maximum value or falls below a minimum value, the current controller, which is preferably designed as a hysteresis controller, can cause corresponding semiconductor switches to be switched on or off. Its switching hysteresis is thus defined by a maximum and minimum value of the inductor current, which should ensure at least one zero crossing of the inductor current per switching period.
  • the current regulator Com can advantageously detect all inductor currents ILS+, ILS of the storage inductors Ls +, Ls separately, as a result of which the switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 can be set as a function of the inductor currents ILS+, ILS.
  • a differential current error in particular a power supply error, e.g. a leakage current, can be advantageously detected by forming the current difference between the inductor currents ILS+ILS, at least when a predeterminable current difference amount is exceeded, after which the current regulator Com or a higher-level control unit, for example, suppress switching pulses and thus the DC voltage converter 20 can switch off.
  • switch-off devices in particular contactors, can be used for switching off if a differential current error, in particular a leakage current, is detected by forming a current difference between the inductor currents ILS+ILS, at least when a predeterminable current difference amount is exceeded.
  • the storage inductors Ls + , L s can be designed separately and structurally separate, and not magnetically coupled.
  • the storage inductors Ls + , L s ⁇ are preferably designed with the same inductance.
  • the storage transformer Ts can have two include symmetrical windings of the two storage inductors Ls + , L s with the same number of turns on a common magnetic core.
  • the storage transformer Ts can preferably have a total inductance of 20 mH or less and/or a total number of turns of nine turns or less.
  • higher total inductances >20 mH and larger numbers of turns can also be used.
  • the storage transformer Ts can have a low inductance and few turns. This results in low copper losses and negligible parasitic winding capacitances. In turn, low winding capacitances are favorable with regard to the EMC behavior; in particular, undesired capacitive leakage currents in the outputs can be avoided and a common-mode filter on the output side can be omitted or simply configured.
  • the total inductance would be practically nine times that of up to 180 mH, i.e. up to 90 mH per storage choke Ls + , Ls , and three times the number of turns, up to 27 turns or more.
  • the copper resistance would be nine times higher. This shows that when designed for a high ripple current with zero crossings, the copper losses in the choke can be massively reduced despite the approx. 30% higher rms choke current value, although these savings are not quite as dramatic in reality, since the influence of a skin effect at high Switching frequencies is not taken into account, which is not negligible with a high ripple current. In any case, the core losses are significantly lower than the copper losses and these can be significantly reduced with simple storage choke configurations. In particular, when stacked ferrite cores, the required internal cross-sections are determined by the copper cross-section required for the winding.
  • Both the maximum and minimum value of the inductor current, and thus the inductor current mean value and the ripple current amplitude can be controlled by the current controller Coni, in particular in such a way that the semiconductor switches are switched in such a way that zero crossings occur in the inductor current.
  • the mean value of the inductor current ILS determines the active energy transfer and the energy flow direction.
  • the ripple current amplitude determines the reactive energy circulating in the DC/DC converter for the ZVS switching, so much energy remaining stored in the inductor that the reversing capacitors can be recharged.
  • a filter stage FIS can be connected downstream between the storage capacitor C s and the output potential tap DC+, DC- on the output side.
  • this filter stage FIS can have at least one current-compensated choke Lis and a capacitor bridge HC with two series-connected medium-voltage filter capacitors Cis + ,
  • Cis include that can filter out high-frequency voltage components of the output voltage U 0 ut.
  • a grounding filter capacitor CISG can preferably be connected to a ground potential at the center tap of the capacitor bridge HC, in order in turn to achieve high-frequency grounding of the DC output.
  • a filter capacitor can be placed between DC+ or DC- and earth be connected, and another filter capacitor between DC+ and DO be connected.
  • a different filter capacitor network can also be used.
  • the intermediate circuit voltage UZK can be 950 V or higher in order to set a range of the output voltage U out of at least between 200 V and 920 V.
  • each semiconductor switch TI, T2, T3, T4 include a parallel connection of two or more switching transistors. With this parallel connection, the degree of efficiency of the semiconductors can be increased within certain limits and higher output powers can be made available. Due to the Z VS switching behavior, the semiconductor switches TI, T2, T3, T4 only have conduction losses and no turn-on losses and low turn-off losses, with the conduction losses being further minimized by connecting semiconductors in parallel and efficiency being increased.
  • a method for operating a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle with electrical energy using a multi-phase network that can be coupled to the charging station is proposed, with the charging station having a number of phases of the multi-phase network that can be coupled AC/DC converter and an intermediate circuit downstream of the AC/DC converter.
  • the procedure includes ⁇
  • a bidirectional DC/DC converter connected downstream of the intermediate circuit, comprising a series connection of two half-bridges Hl, H2 with four semiconductor switches, with each half-bridge Hl, H2 between an input-side intermediate circuit potential rail ZK+, ZK- with intermediate circuit voltage Uzk and a medium-potential busbar ZM with symmetrical, in particular ground-symmetrical, medium voltage UZK+, UZK- is connected, and each center tap Ml, M2 of the half-bridge Hl, H2 interacts with a storage inductor Ls+, Ls- and a storage capacitor CS, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series, with the center tap Ml, M2 of each half-bridge Hl , H2 at least one resonant capacitor CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, czvs- is
  • This method has the same advantages as explained for the charging station according to the first aspect.
  • the embodiments described for the proposed charging station apply accordingly to the proposed method.
  • the definitions and explanations for the charging station also apply accordingly to the proposed method.
  • FIG. 1 shows schematically an arrangement with a first embodiment of a charging station and an electric vehicle
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle
  • 4a, 4b show a first and second exemplary embodiment of a DC/DC converter
  • 5a, 5b further exemplary embodiments of DC/DC converters
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a DC/DC converter
  • Fig. 7 shows a schematic flowchart of a method for
  • Fig. 1 schematically shows an arrangement with a first embodiment of a charging station 1 and an electrical energy store 2 of an electric vehicle 3.
  • a multi-phase subscriber network 4 is connected to a multi-phase power supply network 7 by means of a network connection point 6 .
  • the multi-phase subscriber network 4 has in particular a number of phases, for example LI, L2 and L3, and a neutral conductor N. It is in this example, without loss of generality, are three-phase power grids.
  • the electric vehicle 2 is coupled to the charging station 1 by means of a charging cable 5 which is connected to a connection socket (not shown) of the charging station 1 .
  • the charging station 1 can have a number of electrical and/or electronic components (not shown in FIG. 1, see for example FIG. 2) and is for charging and/or discharging the energy store 2 of the electric vehicle 3 with electrical energy using the the charging station 1 coupled multi-phase subscriber network 4 set up.
  • the charging station 1 preferably comprises a communication module (not shown).
  • the communication module is set up to negotiate a charging plan with charging electronics of the energy store 2 coupled to the charging station 1 .
  • the charging electronics of the energy storage device 2 requests a certain charging capacity via the communication module at the charging station 1 and the charging station 1 determines whether the requested charging capacity can be provided. A current state of the subscriber network 4 and/or the power supply network 7 is taken into account in particular. If the requested charging power cannot be provided, the charging station 1 can make a "counterproposal" via the communication module, which can be accepted by the charging electronics of the energy storage device 2, or the charging electronics can make its own request again. In this way, the charging station 1 and the charging electronics of the energy store 2 communicate until the charging plan has been negotiated. Negotiating the charging plan can be part of the pairing process when an energy storage device 2 is newly connected to the charging station 1 .
  • Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a charging station 1 for charging and discharging an energy store 2 of an electric vehicle 3.
  • the second embodiment of Fig. 2 includes all features of the first embodiment of Fig. 1.
  • the charging station 1 of Fig. 2 has three connection terminals 101, 102, 103 for the three phases LI, L2, L3 of the multi-phase network 4.
  • the charging station 1 also has another connection terminal (not shown) for the neutral conductor N.
  • an EMC filter device 200 is connected downstream of the connection terminals 101, 102, 103. Furthermore, the charging station 1 of FIG. 2 comprises an LCL filter device 300 connected downstream of the EMC filter device 200, an AC/DC converter 400, an intermediate circuit 500, a bidirectional DC/DC converter 600 and an intermediate output circuit 700, to which a negative output potential tap 701 and a positive output potential tap 702 are connected.
  • FIG. 3 shows the basic configuration of a ZVS switching concept of a half-bridge
  • FIGS. 4 to 6 show various exemplary embodiments for the bidirectional DC/DC converter 600 shown in FIG.
  • the bidirectional DC/DC converter 600 of Fig. 2 can be replaced by the DC/DC converter 10 of Fig. 4a, by the DC/DC converter 20 of Fig. 4b, by the DC/DC converter 30 of FIG. 5a, by the DC/DC converter 40 of FIG. 5b or by the DC/DC converter 50 of FIG.
  • FIG. 3 shows a configuration 14 of a zero-voltage switching concept of a half-bridge, comprising two semiconductor switches TI, T2.
  • the ZVS switching topology 14 of FIG. 3 represents part of the first specific embodiment of the DC/DC converter 10 shown in FIG tial reload so that the other semiconductor switch can turn on without voltage and loss. This means that it can be switched on practically without voltage and with low switched, and switched off with a reduced voltage rise.
  • the efficiency of a DC/ DO voltage converter plays a decisive role, particularly in the case of power supplies or charging stations in the field of electromobility.
  • ZVS switching the semiconductor switches the switching losses can practically be set to zero, and unwanted thermal heating can be minimized.
  • FIG. 4a shows a first exemplary embodiment 10 of a bidirectional DC/DO converter, which converts an input voltage UZK of a symmetrical intermediate circuit ZK with the two intermediate circuit medium voltages UZK+, UZK and an intermediate circuit medium potential rail ZM into an output voltage U 0ut at the output potential taps DC+ , DO converts.
  • a half-bridge H1 or H2 is connected between the intermediate circuit potential rails ZK+, ZK- and the middle potential rail ZM.
  • Each half-bridge comprises two semiconductor switches, the half-bridge H1 the semiconductor switches TI and T2, and the half-bridge H2 the semiconductor switches T3 and T4.
  • Two stabilization capacitors CZK+ or CZK- are connected between the intermediate circuit potential rail ZK+ or ZK- and the medium potential rail ZM for the purpose of stabilizing the intermediate circuit potential and for supporting the intermediate circuit voltage UZK .
  • Two symmetrical storage chokes Ls + and Ls are connected to the respective center taps M1 , M2 of the half-bridges H1 and H2, and are magnetically coupled to one another as a storage transformer Ts via a magnetic core.
  • two individual inductors that are not magnetically coupled can also be used.
  • two resonant capacitors Czvs + and Czvs are connected with respect to the mid-potential rail ZM in order to enable ZVS switching or soft switching of the semiconductor switch of the three-point bridge with the two half-bridges H1 and H2.
  • a storage capacitor Cs is connected in parallel at the output of the transformer Ts and stabilizes the output voltage U out at the two output potential taps DC+ and DO.
  • the current through a storage choke Ls + and/or Ls is recorded as the choke current ILS by a current controller Coni.
  • the duty cycle of the semiconductor switches TI, T2, T3 and T4 is controlled on the basis of the inductor current ILS, which has a ripple current with an amplitude higher than a mean value of the inductor current for generating zero crossings.
  • the current controller Coni generates four switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 as the gate voltage of the semiconductor switches TI, T2, T3, T4. These are set in such a way that respective semiconductor switches are switched off when a maximum or minimum value is reached, with sufficient energy being stored in the storage inductor in order to enable the resonant capacitors to be recharged.
  • the current regulator Coni can also have an I/O interface R ⁇ /0 to a higher-level processor controller, for example charging electronics for an electrochemical store .
  • a second exemplary embodiment 20 is shown in FIG. 4b, which is essentially the same as the DC/DC converter 10 of FIG. 4a. Deviating from this, the two storage chokes Ls +, Ls are arranged with the same inductance and magnetically independently and physically separate from one another, and are not combined in a storage transformer Ts.
  • the current controller Com records both inductor currents ILS+, ILS- of the storage inductors Ls +, Ls separately. If a residual current not equal to zero occurs, the DC-DC converter 20 can be switched off.
  • FIGS. 5a, 5b show two further exemplary embodiments 30, 40 of DC/DC converters according to the invention, which essentially correspond to the configuration of FIG. Deviating from FIG. 4, in FIG. 5a the DC voltage converter 30 is connected to a common reversing capacitor Czvs at the center taps M1, M2 of the two half-bridges H1, H2.
  • both inductor currents ILS+, ILS are detected by the current regulator Com, so that what has been said here also applies to this. However, it can also be sufficient to record only one of the two inductor currents ILS+ or ILS for controlling the ripple current.
  • each semiconductor switch T1, T2, T3, T4 of the DC voltage converter 40 has a resonant capacitor Czvs++, Czvs+ ⁇ , Czvs+, Czvs connected in parallel.
  • the inductor current is detected analogously to the embodiment of the DC-DC converter 10.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment 50 of a DC/DC converter, which likewise essentially corresponds to the exemplary embodiment 10 in FIG.
  • a filter stage FIS is interposed on the storage capacitor Cs before the output potential tap DC+, DC-.
  • the filter stage FIS includes a current-compensated choke Lis .
  • a half-bridge made of two medium-voltage filter capacitors Cis +, Cis-, which is referred to as a capacitor bridge HC, is connected in parallel with the output potential taps DC+, DC-.
  • a further grounding filter capacitor CISG is connected to ground, in order to allow common-mode currents to be discharged.
  • the filter stage FIS enables radio interference suppression and an improvement in the EMC robustness of the DC/DC converter 50.
  • a capacitor Cis and two capacitors CISG can also be provided, with one capacitor CISG from DC+ to ground and/or is connected from DC- to ground.
  • FIG. 7 also shows a schematic flowchart of a method for operating a charging station 1 for charging and/or discharging an energy store ⁇ chers 2 of an electric vehicle 3 with electrical energy by means of a multi-phase network 4 that can be coupled to the charging station 1.
  • the charging station 1 is at ⁇ for example formed as explained in the preceding figures.
  • step S1 the charging station 1 is coupled to the multi-phase network 4 and to the energy store 2 of the electric vehicle 3.
  • step S2 an input-side intermediate circuit voltage Uzk is converted into an output voltage ( Uout ) or vice versa by means of a bidirectional DC/DC converter 600, 10, 20, 30, 40, 50 connected downstream of the intermediate circuit 500.

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Abstract

Proposed is a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle with/of electric energy by means of a polyphase supply system that can be coupled to the charging station, the charging station comprising: an AC-to-DC converter which can be coupled to a number of phases of the supply system; a DC link which is connected downstream of the AC-to-DC converter; and a bidirectional DC-to-DC converter, which is connected downstream of the DC link, for converting a DC link input voltage into an output voltage, and vice versa, said DC-to-DC converter comprising a series circuit consisting of two half bridges with four semiconductor switches, each half bridge being connected between a DC link voltage bus having a DC link voltage on the input side and a medium-voltage bus having a symmetrical, in particular ground-symmetrical intermediate voltage, each center tap of the half bridge cooperating with a storage choke and a storage capacitor such that two bidirectional synchronous converters are connected in series, at least one snubber capacitor being connected to the center tap of each half bridge.

Description

LADESTATION UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER CHARGING STATION AND METHOD OF OPERATING A
LADESTATION CHARGING STATION
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
Die Erfindung betrifft eine Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation koppelbaren mehrphasigen Netzes, welche einen bidirektio nalen DC/DC-Wandler zur Umwandlung einer eingangsseitigen Zwischenkreis - Spannung in eine Ausgangsspannung und umgekehrt aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladestation. The invention relates to a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle with electrical energy using a multiphase network that can be coupled to the charging station, which has a bidirectional DC/DC converter for converting an input-side intermediate circuit voltage into an output voltage and vice versa. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a charging station.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Das vorliegende technische Gebiet betrifft das Laden eines Energiespeichers ei nes Elektrofahrzeuges. Hierzu beschreibt beispielsweise das Europäische Patent EP 2 882 607 Bl der Anmelderin eine Ladestation für Elektrofahrzeuge, mit we nigstens einer Eingangsschnittstelle zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einem ortsfesten Stromversorgungsnetz in die Ladestation, mit einer An schlussbuchse zum Verbinden eines Ladesteckers eines Elektrofahrzeuges zur gesteuerten Abgabe von elektrischer Energie an das Elektrofahrzeug, mit einer Mehrzahl von elektrotechnischen Komponenten umfassend eine elektronische Steuervorrichtung zum Schalten, Messen oder Überwachen der aufgenommenen und/oder der abgegebenen elektrischen Energie, und mit einem die elektrotech nischen Komponenten umschließenden Gehäuse. The present technical field relates to the charging of an energy store in an electric vehicle. For example, the applicant's European patent EP 2 882 607 B1 describes a charging station for electric vehicles, with at least one input interface for feeding electrical energy from a stationary power supply network into the charging station, with a connection socket for connecting a charging plug of an electric vehicle for the controlled delivery of electrical energy to the electric vehicle, with a plurality of electrotechnical components comprising an electronic control device for switching, measuring or monitoring the recorded and / or emitted electrical energy, and with a housing enclosing the electrotechnical African components.
Bei Elektrofahrzeugen sind unterschiedliche Ladeverfahren bekannt, so gibt es Schnellladeverfahren, bei welchen die Ladestation dem Elektrofahrzeug Gleich spannung /-ström (DC) zur Verfügung stellt, oder aber auch Wechselstromlade - verfahren, wobei dem Elektrofahrzeug einphasig oder mehrphasig, insbesondere zweiphasig oder dreiphasig, Wechselstrom (AC) zur Verfügung gestellt wird, wel chen das ladende Fahrzeug mittels einem eingebauten AC/DC Wandler in Gleichstrom für den zu ladenden Energiespeicher umwandelt. Bei den Wechsel· stromladeverfahren kontrolliert eine Ladelogik des Fahrzeugs oder des Energie speichers den Ladevorgang. Different charging methods are known for electric vehicles, for example there are fast charging methods in which the charging station provides the electric vehicle with direct voltage/current (DC), or alternatively alternating current charging - methods in which the electric vehicle has single-phase or multi-phase, in particular two-phase or three-phase, alternating current (AC) is made available, which the charging vehicle converts to using a built-in AC/DC converter Converts direct current for the energy storage device to be loaded. With the AC charging process, a charging logic in the vehicle or in the energy store controls the charging process.
Folglich kommen bei einer zum DOLaden geeigneten Ladestation sowohl ein AC/DC-Wandler als auch ein DC/DOWandler zum Einsatz. Consequently, both an AC/DC converter and a DC/DO converter are used in a charging station suitable for DO charging.
Ein DC/DOWandler, der auch als Gleichspannungswandler bezeichnet wird, er möglicht eine eingangsseitige bzw. eine zwischenkreiszugeführte Gleichspan nung (DC Spannung) in eine Ausgangsspannung mit einem höheren oder niedri geren oder einem invertierten Spannungsniveau am Ausgang Uout umzuwandeln. Die Umsetzung erfolgt mithilfe von Halbleiterschaltern und einem oder mehre ren Energiespeichern wie Induktivitäten oder Kapazitäten bzw. Kondensatoren. Derartige Gleichspannungswandler werden auch als Gleichstromsteller bezeich net. A DC/DO converter, also referred to as a DC voltage converter, enables a DC voltage on the input side or a DC voltage fed into the intermediate circuit to be converted into an output voltage with a higher or lower or an inverted voltage level at the output U out . The implementation takes place with the help of semiconductor switches and one or more energy stores such as inductances or capacitances or capacitors. DC voltage converters of this type are also referred to as DC choppers.
Der hier betrachtete DC/DC-Wandler arbeitet bidirektional, d.h. ein Energiefluss kann in beide Richtungen vom Eingang zum Ausgang, und/oder vom Ausgang zum Eingang erfolgen. Insbesondere durch Wahl des Tastgrads der Halbleiter- schalter kann der Stromfluss sowohl von der Quelle zur Last, als auch von der Last zur Quelle geführt werden. Die Höhe der Ausgangsspannung kann je nach Wahl des Eingangs und des Ausgangs höher oder niedriger sein als die jeweilige Eingangsspannung. Dem hier betrachteten DC/DC-Wandler liegt das Prinzip des Synchronwandlers, der auch als Gleichspannungstransformator bezeichnet wird, zugrunde. Durch ein zyklisches Schalten von Halbleiterschaltern wird Energie in einem Magnetfeld einer Speicherdrossel gespeichert, die zyklisch geladen oder entladen werden kann. Als Halbleiterschalter kommen insbesondere MOSFETs, IGBTs oder andere Hochvolt-Halbleiterschalter zur Anwendung. Prinzipiell kann der betrachtete DC/DC-Wandler als Kombination eines Aufwärts- und eines Ab wärtswandlers angesehen werden. Die Höhe der Ausgangsspannung wird über die Einschalt- und Ausschaltzeit des Halbleiterschalters, und somit über den Tastgrad bestimmt. Beispielsweise die DE 10 2018 206 388 Al zeigt einen DC/DC -Wandler, der einen Schwingkreis und einen Transformator umfasst, wobei durch eine Halbbrücke der Transformator mit Wechselstrom versorgt wird, und ein nachgeschalteter Gleichrichter eine ausgangsseitige DOSpannung bereitstellt. Eine derartige To¬ pologie kann allerdings nicht bidirektional betrieben werden. The DC/DC converter considered here works bidirectionally, ie energy can flow in both directions from input to output and/or from output to input. In particular, by selecting the duty cycle of the semiconductor switches, the flow of current can be routed both from the source to the load and from the load to the source. The level of the output voltage can be higher or lower than the respective input voltage depending on the selection of the input and the output. The DC/DC converter considered here is based on the principle of the synchronous converter, which is also referred to as a DC voltage transformer. By cyclically switching semiconductor switches, energy is stored in a magnetic field of a storage choke, which can be cyclically charged or discharged. In particular, MOSFETs, IGBTs or other high-voltage semiconductor switches are used as semiconductor switches. In principle, the DC/DC converter under consideration can be viewed as a combination of a step-up and a step-down converter. The level of the output voltage is determined by the switch-on and switch-off time of the semiconductor switch, and thus by the duty cycle. For example, DE 10 2018 206 388 A1 shows a DC/DC converter that includes an oscillating circuit and a transformer, with the transformer being supplied with alternating current by a half bridge, and a downstream rectifier providing a DO voltage on the output side. However, such a topology cannot be operated bidirectionally .
Darüber hinaus zeigt die EP 3 255 772 Al einen DC/DOWandler, der mittels einer Wechselrichterbrücke ebenfalls einen Transformator bestromt, wobei über eine Halb- oder eine Vollbrücke, auch eine Mehrstufenbrücke, die sekundärseiti¬ ge AOSpannung wieder DOgewandelt werden kann. Derartige DC/DOWandler können zwar bidirektional arbeiten, da sie auf beiden Seiten des Transformators steuerbare Halb- oder Vollbrücken nutzen, allerdings erfolgt der Energiefluss über einen mit Wechselstrom betriebenen Transformator mit entsprechenden Energieverlusten und Bauteilkosten· In addition, EP 3 255 772 A1 shows a DC/DO converter which also supplies current to a transformer by means of an inverter bridge, with the AO voltage on the secondary side being able to be converted back to DO via a half or full bridge, including a multi-stage bridge. Although such DC/DO converters can work bidirectionally, since they use controllable half or full bridges on both sides of the transformer, the energy flow takes place via an AC-operated transformer with corresponding energy losses and component costs
Weiterhin zeigt die WO 2012/116953 Al einen DC/DC -Wandler, der ebenfalls auf einer tr ansform atorischen Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite ba¬ siert, und auf der einen Seite eine Wechselrichterbrücke und auf der anderen Seite eine Dreipunkthalbbrücke nutzt, um Energie bidirektional übertragen zu können. Furthermore, WO 2012/116953 A1 shows a DC/DC converter which is also based on a transformer-type coupling between the input and output sides, and uses an inverter bridge on the one hand and a three-point half bridge on the other to convert energy to be transmitted bidirectionally.
Weiterhin ist bekannt, in einer DC/DOWandlung zur Bestimmung des Schalt¬ punktes der eingesetzten Halbleiterschalter das Prinzip des sogenannten Zero Voltage Switching (ZVS) zu nutzen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, indem resonante Schalttopologien eingesetzt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Drain-Source-Spannung vor dem Einschalten des MOSFETs auf null geht, sodass dieser im spannungslosen Zustand einschalten kann. Ein soge¬ nanntes ZVS-Schalten wird auch als weiches Schalten bezeichnet. Mit diesem Zero Voltage Switching Konzept lassen sich Schaltverluste insbesondere beim Einschalten praktisch vollständig beseitigen. Darüber hinaus lassen sich mit ei- nem Umschwingkondensator am Schaltausgang einer Halbleiterbrücke, auch als Snubberkondensator bezeichnet, die Ausschaltverluste deuthch reduzieren. It is also known to use the principle of so-called zero voltage switching (ZVS) in a DC/DO conversion to determine the switching point of the semiconductor switches used, in order to achieve high efficiency by using resonant switching topologies. As a result, the drain-source voltage goes to zero before the MOSFET turns on, so that it can turn on when there is no voltage. So-called ZVS switching is also referred to as soft switching. With this Zero Voltage Switching concept, switching losses can be almost completely eliminated, especially when switching on. In addition, with a A reversing capacitor at the switching output of a semiconductor bridge, also known as a snubber capacitor, which significantly reduces turn-off losses.
Die aus dem Stand der Technik bekannten DC/DOWandler weisen entweder ei nen schlechten Wirkungsgrad auf, da ein ZVS-Konzept nicht umgesetzt werden kann, oder sie sind mit hohen Materialkosten belastet, da ein teurer und verlust- behafteter Transformator einzusetzen ist. The DC/DO converters known from the prior art either have poor efficiency because a ZVS concept cannot be implemented, or they have high material costs because an expensive and lossy transformer has to be used.
Daneben ermöghchen die bekannten Konzepte keine Zurverfügungstellung eines Ausgangpotentials, das erdsymmetrisch einstellbar ist, wobei es wünschenswert ist, das Spannungspotential des Ausgangspotentialabgriffs DC+, DO gegen Erde zu limitieren oder zu minimieren, insbesondere eine erdsymmetrische Ausgangs spannung bereitzustellen. In addition, the known concepts do not allow an output potential to be made available that can be set symmetrically to ground, it being desirable to limit or minimize the voltage potential of the output potential tap DC+, DO to ground, in particular to provide an output voltage symmetrical to ground.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges zu schaffen, insbesondere eine Ladestation mit einem DC/DC-Wandler zu schaf fen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, bidirektional und trafolos eine Gleichspannungswandlung vornimmt sowie eine symmetrische DC- Ausgangspannung gegenüber der Erde bereitstellt. It is an object of the present invention to create an improved charging station for charging and/or discharging an energy storage device of an electric vehicle, in particular to create a charging station with a DC/DC converter which has a high level of efficiency, carries out a DC voltage conversion bidirectionally and without a transformer and provides a symmetrical DC output voltage with respect to ground.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Ladestation mit den Merkmalen des An spruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. The task is solved by a charging station having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 18 .
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Ladestation zum Laden und/oder Entla den eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation koppelbaren mehrphasigen Netzes vorgeschla gen, wobei die Ladestation einen mit einer Anzahl von Phasen (auch bezeichnet mit LI, L2, L3) des mehrphasigen Netzes koppelbaren AC/DC-Wandler, einen dem AC/DC-Wandler nachgeschalteten Zwischenkreis und einen dem Zwischen- kreis nachgeschalteten bidirektionalen DC/DOWandler zur Umwandlung einer eingangsseitigen Zwischenkreisspannung Uzk in eine Ausgangsspannung und umgekehrt aufweist. Der DC/DC -Wandler umfasst eine Reihenschaltung zweier Halbbrücken Hl, H2, mit jeweils zwei Halbleiterschaltern TI, T2 und T3, T4, wobei jede Halbbrücke Hl, H2 zwischen einer eingangsseitigen Zwischenspan nungspotentialschiene ZK+, ZK- mit Zwischenkreisspannung Uzk und einer Mit telpotentialschiene ZM mit symmetrischer, insbesondere erdsymmetrischer Mit telspannung Uzk+, Uzk geschaltet ist. Jeder Mittelabgriff Ml, M2 der Halbbrücke Hl, H2 ist mit einer eigenen Speicherdrossel LS+, LS- und einem, insbesondere gemeinsamen, Speicherkondensator Cs verbunden, sodass zwei bidirektionale Synchronwandler in Reihe geschaltet sind. According to a first aspect, a charging station is proposed for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle with electrical energy using a multi-phase network that can be coupled to the charging station, the charging station having a number of phases (also denoted by LI, L2, L3 ) of the multiphase network that can be coupled AC/DC converter, an intermediate circuit downstream of the AC/DC converter and an intermediate circuit Circuit downstream bidirectional DC / DO converter for converting an input-side intermediate circuit voltage Uzk in an output voltage and vice versa. The DC/DC converter comprises a series connection of two half-bridges Hl, H2, each with two semiconductor switches TI, T2 and T3, T4, with each half-bridge Hl, H2 between an input-side intermediate voltage potential rail ZK+, ZK- with intermediate circuit voltage U zk and a middle potential rail ZM is connected with symmetrical, particularly symmetrical to ground, voltage U zk+, U zk . Each center tap Ml, M2 of the half-bridge Hl, H2 is connected to its own storage choke LS+, LS- and a storage capacitor Cs, which is in particular common, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series.
Es wird vorgeschlagen, dass am Mittelabgriff Ml, M2 jeder Halbbrücke Hl, H2 zumindest ein Umschwingkondensator CZvs angeschlossen ist. It is proposed that at least one reversing capacitor C Z vs is connected to the center tap M1, M2 of each half-bridge H1, H2.
Mit anderen Worten wird ein DC/DC Wandler vorgeschlagen, der im Prinzip als Reihenschaltung zweier Synchronwandler angesehen werden kann. Zur Realisie rung eines ZVS-Konzepts ist am Mittelabgriff jeder Halbbrücke, die jeweils einen Synchronwandler definiert, ein Umschwingkondensator CZvs, CZvs+, CZvS , CZvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- angeschlossen. In other words, a DC/DC converter is proposed which, in principle, can be viewed as a series connection of two synchronous converters. To implement a ZVS concept, a reversing capacitor C Z vs, C Z vs+, C Z v S , C Z vs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- is connected to the center tap of each half-bridge, each of which defines a synchronous converter.
Die eingangsseitige Zwischenkreisspannung Uzk wird insbesondere von dem AC/DC-Wandler bereitgestellt, insbesondere erdsymmetrisch bereitgestellt. Der AC/DC-Wandler ist vorzugsweise ein bidirektionaler Umrichter. Der AC/DC- Wandler ist insbesondere zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Gleich spannung und/oder zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspan nung eingerichtet. The input-side intermediate circuit voltage U zk is provided in particular by the AC/DC converter, in particular provided symmetrically to ground. The AC/DC converter is preferably a bidirectional converter. The AC/DC converter is set up in particular for converting an AC voltage into a DC voltage and/or for converting a DC voltage into an AC voltage.
Mithilfe der in Reihe geschalteten Halbbrücken Hl, H2 kann eine erdsymmetri sche Ausgangsspannung, mit den beiden Teilspannungen DC+ und DC- bereitge stellt werden. Dies hat Vorteile in Bezug auf die elektrische Sicherheit im Be trieb, und sorgt für eine reduzierte Belastung der Isolation der Ladestation. Durch die an den Mittelabgriffen Ml, M2 der Halbbrücken Hl, H2 angeschlosse¬ nen Umschwingkondensatoren CZvS kann eine Spannungsanstiegsgeschwindig¬ keit du/dt reduziert und damit das EMV-Verhalten deutlich verbessert werden, da rasche Spannungssprünge vermieden werden. Überspannungen an den Halb¬ leitern können deutlich reduziert werden, da ein weiches Schalten bzw. ein ZVS- Schalten ermöghcht wird. Die zulässige Zwischenkreisspannung Uzk kann auf annähernd das Doppelte der Sperrspannung eines Halbleiters ausgelegt werden, sodass für eine hohe Zwischenkreisspannung Uzk von 900- 1000 V oder höher Halbleiterschalter mit Sperrspannungen von 900 V oder weniger, insbesondere kleiner oder gleich 750 V oder weniger eingesetzt werden können. Dies kann bei¬ spielsweise durch SiC-Mosfets erreicht werden. Dabei ist auch eine Sperrspan¬ nung bis hinab zu 650 V möglich. Dadurch wird es ermöglicht, bei entsprechend hohen Eingangsspannungen Uzk große Ausgangsspannungsbereiche U0ut von un¬ ter 200 V bis zu 920 V DC abzudecken. Da die zulässige Sperrspannung von Si- MOSFETs stark temperaturabhängig ist, kann mit SiC-Mosfets selbst bei tiefen Temperaturen eine Ausgangsspannung U0ut von 920 V zuverlässig bereitgestellt werden. With the help of the series-connected half-bridges H1, H2, a ground-symmetrical output voltage can be provided with the two partial voltages DC+ and DC-. This has advantages in terms of electrical safety during operation and reduces the stress on the charging station's insulation. The reversing capacitors CZvS connected to the center taps M1, M2 of the half-bridges H1, H2 can reduce a voltage rise speed du/dt and thus significantly improve the EMC behavior since rapid voltage jumps are avoided. Overvoltages at the semiconductors can be significantly reduced since soft switching or ZVS switching is made possible. The permissible intermediate circuit voltage U z k can be designed to be almost twice the blocking voltage of a semiconductor, so that for a high intermediate circuit voltage U z k of 900-1000 V or higher, semiconductor switches with blocking voltages of 900 V or less, in particular less than or equal to 750 V or less can be used. This can be achieved in ¬ example by SiC Mosfets. A blocking voltage down to 650 V is also possible. This makes it possible to cover large output voltage ranges U 0 ut from below 200 V up to 920 V DC with correspondingly high input voltages U z k . Since the permissible blocking voltage of Si MOSFETs is highly temperature-dependent, an output voltage U 0 ut of 920 V can be reliably provided with SiC MOSFETs even at low temperatures.
Durch die Umsetzung des ZVS- Schaltprinzips können Reverse Recovery Effekte vermieden werden, da keine Sperrspannung auf eine leitende Diode aufgeschal¬ tet wird. Durch ein praktisch spannungsloses Einschalten treten keine Reverse Recovery Verluste auf und durch einen abreißenden Diodenstrom resultierende EMV-Probleme können verhindert werden. Hierdurch treten praktisch keine Einschaltverluste mehr auf, wobei auch Ausschaltverluste reduziert werden können. Letztlich wird durch die vorgeschlagene Schalttopologie der Wirkungs¬ grad deutlich erhöht, sowie das EMV-Verhalten verbessert. Auftretende Span¬ nungen gegenüber Erde können minimiert werden, sowie Schaltüberspannungen begrenzt werden. Insbesondere können Leistungen bis zu 22 kW bereitgestellt werden. Gegenüber herkömmlichen DC/DC-Wandlern kann ein verminderter Aufwand bezüglich des EMV- Ausgangsfilters und eine hohe Materialersparnis durch einen Verzicht auf einen Wandlertransformator erreicht werden. Der Wir- kungsgrad wird derart verbessert, dass über die Laufzeit eine hohe Energieein sparung bei der Anwendung erreicht werden kann. By implementing the ZVS switching principle, reverse recovery effects can be avoided since no blocking voltage is switched on to a conductive diode. Due to a practically voltage-free switch-on, no reverse recovery losses occur and EMC problems resulting from a diode current tearing off can be prevented. As a result, there are practically no more turn-on losses, and turn-off losses can also be reduced. Ultimately, the proposed switching topology significantly increases the degree of effectiveness and improves the EMC behavior. Voltages that occur with respect to ground can be minimized and switching overvoltages can be limited. In particular, outputs of up to 22 kW can be provided. Compared to conventional DC/DC converters, a reduced effort with regard to the EMC output filter and a high saving in material can be achieved by doing without a converter transformer. the we- The degree of efficiency is improved in such a way that high energy savings can be achieved in the application over the service life.
Die Speicherdrosseln können getrennt ausgeführt und magnetisch ungekoppelt eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die beiden Speicherdrosseln LS+, LS- als Speichertransformator Ts magnetisch gekoppelt ausgeführt sein. Dabei sind die beiden Sp eicherdrosseln LS+, LS- jedes Syn chronwandlers nach Art eines Speichertransformators Ts auf einem gemeinsa men magnetischen Kern angeordnet und magnetisch gekoppelt. Dadurch ist eine Kosteneinsparung erreichbar, auch kann eine Bauplatzersparnis auf der Schal tungsplatine erreicht werden. The storage chokes can be designed separately and used magnetically uncoupled. In an advantageous embodiment, the two storage chokes LS+, LS- can be designed as a storage transformer T s that are magnetically coupled. The two storage inductors LS+, LS- of each synchronous converter are arranged on a common magnetic core and magnetically coupled in the manner of a storage transformer Ts. As a result, cost savings can be achieved, and space can also be saved on the circuit board.
Die Ladestation ist insbesondere eine transformatorlose Ladestation und weist beispielsweise ein Gehäuse, insbesondere ein wasserdichtes Gehäuse, mit einem Innenraum auf, in dem eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektronischen Komponenten und eine mit zumindest einer der Komponenten verbundene An schlussbuchse zum Verbinden eines Ladesteckers für den Energiespeicher des Elektrofahrzeuges angeordnet sind. The charging station is in particular a transformerless charging station and has, for example, a housing, in particular a waterproof housing, with an interior space in which a plurality of electrical and/or electronic components and a connection socket connected to at least one of the components for connecting a charging plug for the Energy storage of the electric vehicle are arranged.
Die Ladestation kann auch als Ladeanschlussvorrichtung bezeichnet werden. Die Ladestation ist insbesondere als Wallbox ausgebildet. Die Ladestation ist zum Aufladen bzw. Regenerieren des Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges ge eignet, indem die Ladestation über ihre Anschlussbuchse und den Ladestecker des Elektrofahrzeuges mit dem Energiespeicher bzw. der Ladeelektronik des Elektrofahrzeuges elektrisch verbunden wird. Die Ladestation agiert dabei als Bezugsquelle für elektrische Energie für das Elektrofahrzeug, wobei die elektri sche Energie in einen Energiespeicher des Elektrofahrzeuges mittels Anschluss buchse und Ladestecker übertragen werden kann. Die Ladestation kann auch als intelligente Stromtankstelle für Elektrofahrzeuge bezeichnet werden. The charging station can also be referred to as a charging connection device. The charging station is designed in particular as a wall box. The charging station is suitable for charging or regenerating the energy store of an electric vehicle by electrically connecting the charging station to the energy store or the charging electronics of the electric vehicle via its connection socket and the charging plug of the electric vehicle. The charging station acts as a source of electrical energy for the electric vehicle, and the electrical energy can be transferred to an energy store in the electric vehicle by means of a connection socket and charging plug. The charging station can also be referred to as an intelligent charging station for electric vehicles.
Beispiele für die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten der La destation umfassen Schütz, Allstromsensitiver-Schutzschalter, Gleich-, Über- und Fehlerstrom -Überwachungsvorrichtung, Relais, Anschlussklemme, elektro nische Schaltkreise und eine Steuervorrichtung, beispielsweise umfassend eine Leiterplatte, auf welcher eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen zum Steuern und/oder Messen und/oder Überwachen der Energiezustände an der La destation bzw. im verbundenen Elektrofahrzeug angeordnet sind. Examples of the electrical and/or electronic components of the charging station include contactors, all-current-sensitive circuit breakers, DC, over and fault current monitoring device, relay, connection terminal, electronic circuits and a control device, for example comprising a printed circuit board, on which a plurality of electronic components for controlling and/or measuring and/or monitoring the energy states at the charging station or in the connected electric vehicle are arranged are.
Der dem AC/DC-Wandler nachgeschaltete Zwischenkreis umfasst insbesondere eine Anzahl von Zwischenkreiskondensatoren, die mit einem Zwischenkreismit telpunkt verbunden sind. The intermediate circuit downstream of the AC/DC converter includes, in particular, a number of intermediate circuit capacitors which are connected to an intermediate circuit center point.
Das mehrphasige Netz ist beispielsweise ein mehrphasiges Teilnehmernetz. Das mehrphasige Netz kann auch ein mehrphasiges Energieversorgungsnetz sein. Das mehrphasige Netz hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, beispielsweise LI, L2 und L3, sowie einen Neutralleiter (auch bezeichnet mit N). The multiphase network is, for example, a multiphase subscriber network. The multi-phase network can also be a multi-phase power supply network. In particular, the polyphase network has a number of phases, for example LI, L2 and L3, and a neutral conductor (also denoted by N).
Es sei angemerkt, dass das "Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers" sowohl ein Zuführen von elektrischer Energie als auch ein Entnehmen von elektrischer Energie umfasst. Das heißt, dass der Energiespeicher als Verbrau cher oder als Erzeuger in dem Teilnehmernetz wirken kann. It should be noted that the “charging and/or discharging of an energy store” includes both supplying electrical energy and drawing electrical energy. This means that the energy store can act as a consumer or as a producer in the subscriber network.
Insbesondere ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche einzelne oder alle Ele mente und Einheiten der Ladestation steuern kann. In particular, a control unit is provided which can control individual or all elements and units of the charging station.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Speicherkondensator Cs zwi schen den Ausgangsseiten der beiden Speicherdrosseln Ls+, Ls zur gemeinsamen Nutzung der beiden in Reihe geschalteten bidirektionalen Synchronwandler ge schaltet werden. Durch den Speicherkondensator Cs, der die Ausgangsseiten in Richtung der Ausgangspotentialabgriffe DC+, DC- die beiden Ausgänge der Spei cherdrosseln LS+, LS- verbindet, kann die Ausgangsspannung U0ut stabilisiert und Schaltfrequenzanteile unterdrückt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Halbleiterschalter TI, T2,In an advantageous embodiment, a storage capacitor C s between tween the output sides of the two storage inductors Ls + , Ls for sharing the two series-connected bidirectional synchronous converters are switched ge. The storage capacitor C s , which connects the output sides in the direction of the output potential taps DC+, DC- the two outputs of the storage chokes LS+, LS-, can stabilize the output voltage U 0 ut and suppress switching frequency components. In an advantageous embodiment, the semiconductor switches TI, T2,
T3, T4 als Hochspannungs-MOSFET-Schalttransistoren mit einer niedrigen Sperrspannung < 900 V, insbesondere < 750 V ausgeführt werden. Hierdurch ist es möglich, eine Ausgangsspannung Uout von 920 V oder mehr zu erreichen. Der artige Halbleiter mit niedriger Sperrspannung, z.B. Halbleiter der Serie INFINEON CoolMOS können kostengünstig und mit geringen Schaltverlusten eingesetzt werden. T3, T4 are designed as high-voltage MOSFET switching transistors with a low blocking voltage <900 V, in particular <750 V. This makes it possible to achieve an output voltage U out of 920 V or more. Such semiconductors with a low blocking voltage, eg semiconductors from the INFINEON CoolMOS series, can be used inexpensively and with low switching losses.
Vorteilhaft, insbesondere für die vorgenannte Ausführungsform, können als Halbleiterschalter SiOFETs verwendet werden, die einen SiOJFET mit einem Si-MOSFET in einer Kaskodenschaltung kombinieren, beispielsweise das Modell UJ4C075018K4S von UnitedSiC. Die SiOKaskode bietet das Schaltverhalten eines selbstsperrenden MOSFETs mit den positiven elektrischen Eigenschaften eines Siliziumcarbid-Transistors. Derartige Halbleiterschalter können vorteilhaft für Sperrspannungen bis zu 750 V ausgelegt sein. In einer vorteilhaften Ausfüh rungsform können jeweils zwei korrespondierende Halbleiterschalter TI & T4 bzw. T2 & T3 der beiden Halbbrücken Hl, H2 gleichzeitig geschaltet werden, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzögerung gleichzeitig geschaltet werden. Die Einschaltverzögerung dient dazu, die Spannung an den Um schwingkondensatoren umschwingen zu lassen. Dabei kann eine symmetrische Modulation der Ansteuersignale der Halbleiterschalter TI & T4 bzw. T2 & T3 erreicht werden. Advantageously, in particular for the aforementioned embodiment, SiOFETs can be used as semiconductor switches, which combine a SiOJFET with a Si-MOSFET in a cascode circuit, for example the model UJ4C075018K4S from UnitedSiC. The SiO cascode offers the switching behavior of a self-locking MOSFET with the positive electrical properties of a silicon carbide transistor. Such semiconductor switches can advantageously be designed for blocking voltages of up to 750 V. In an advantageous embodiment, two corresponding semiconductor switches TI & T4 or T2 & T3 of the two half-bridges H1, H2 can be switched simultaneously, in particular with an identical switch-on delay. The switch-on delay is used to allow the voltage at the resonant capacitors to reverse. A symmetrical modulation of the control signals of the semiconductor switches TI & T4 or T2 & T3 can be achieved.
In einer hierzu weitergehenden Ausführungsform ist es möglich, dass die Halb leiterschalter TI, T2, T3, T4 zur steuerbaren Symmetrierung der Mittelspannung UZK+, UZK- des Zwischenkreises mit unterschiedlichen Ausschaltverzögerungen schaltbar sind, sodass Uzk+ und Uzk- um ZM symmetrierbar sind. Darauf auf bauend kann durch die symmetrische Modulation von Hl und H2 eine steuerbare Symmetrierung der Ausgangsspannung U0ut an den beiden Ausgangspotential abgriffen DC+, DO gegenüber ZM und dadurch gegenüber Erde erreicht werden. Hierdurch ist es möghch die Symmetrierung der Ausgangsspannung U0ut zu er- reichen. So können Unsymmetrien in den Bauteilparametern wie z.B. unter schiedliche Schaltgeschwindigkeiten kompensiert werden. In an embodiment that goes further in this regard, it is possible for the semiconductor switches TI, T2, T3, T4 to be switchable with different switch-off delays for the controllable balancing of the medium voltage UZK+, UZK- of the intermediate circuit, so that Uzk+ and Uzk- can be balanced by ZM. Building on this, the symmetrical modulation of H1 and H2 can be used to achieve a controllable balancing of the output voltage Uout at the two output potentials DC+, DO with respect to ZM and thus to ground. This makes it possible to achieve the balancing of the output voltage U 0ut pass. In this way, asymmetries in the component parameters, such as different switching speeds, can be compensated.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Halbleiterschalter TI, T2,In an advantageous embodiment, the semiconductor switches TI, T2,
T3, T4 zur Erzeugung eines Speicherdrosselstroms bzw. Speichertransformator stroms mit einer Rippleamphtude größer als ein Mittelwert des DOStroms schaltbar sein, so dass der Drosselstrom zwischen zwei Schaltvorgängen jeweils einen Nulldurchgang aufweist. So kann ein ZVS -Einschalten stets sichergestellt werden. Die Ripplestromamplitude ist dabei höher als der Mittelwert des Dros selstroms, somit hat ein Drosselstrom zwischen zwei Schaltvorgängen stets einen Nulldurchgang erfahren, was Voraussetzung für ein ZVS -Einschalten ist. Insbe sondere kann durch eine Stromregelung, beispielsweise einen Hysterese- Stromregler, der die Schaltung der Halbleiterschalter steuert, ein Maximal- und ein Minimalwert des Drosselstroms derart gesteuert werden, so dass jeweihge Halbleiterschalter ausgeschaltet werden, wenn der Maximalwert bzw. Minimal wert erreicht wird. Ziel dabei ist es, jeweils genug Energie in der Sp eicherdrossel zu speichern, um die Umschwingkondensatoren umzuladen, hieraus ergibt sich dann die angestrebte Regelung des Mittelwerts des Drosselstroms. T3, T4 can be switched to generate a storage inductor current or storage transformer current with a ripple speed greater than an average value of the DO current, so that the inductor current has a zero crossing between two switching processes. In this way, ZVS activation can always be ensured. The ripple current amplitude is higher than the mean value of the choke current, so a choke current has always experienced a zero crossing between two switching processes, which is a prerequisite for ZVS switching on. In particular, a maximum and minimum value of the inductor current can be controlled by a current controller, for example a hysteresis current controller, which controls the switching of the semiconductor switches, so that the respective semiconductor switches are switched off when the maximum or minimum value is reached. The aim is to store enough energy in the storage choke to charge the reversing capacitors, which then results in the desired control of the mean value of the choke current.
Somit können die Halbleiterschalterpaare TI und T4 bzw. T2 und T3 entweder mit identischen oder mit voneinander verschiedenen Einschaltzeiten geschaltet werden, wobei Einschaltverluste vernachlässigbar sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Halbleiterschalter TI, T2, T3, T4 im Zusammen spiel mit dem Umschwingkondensator CZvs, CZvs+, Czvs-, Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs ZVS-schaltbar (Zero Voltage Switching) sein, insbesondere spannungslos, nahezu verlustfrei einschaltbar, sowie mit begrenzter Spannungsanstiegsgeschwindig keit verlustarm ausschaltbar sein. Ein verlustarmes Ausschalten kann sich dabei durch eine Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ergeben, wobei die Halbleiterschalter, insbesondere Schalttransistoren schneller ausschalten, als sich eine Spannung aufbauen kann. Durch Umsetzen des ZVS Schaltprinzips werden der Wirkungsgrad deutlich erhöht, thermische Abwärme des DC/DO Wandlers minimiert und die Lebensdauer stark verlängert, sodass sowohl Ener- giekosten minimiert als auch die Lebenseinsatzdauer des DC/DC -Wandlers deut¬ lich erhöht werden können. Thus, the semiconductor switch pairs TI and T4 or T2 and T3 can be switched either with identical turn-on times or with different turn-on times, with turn-on losses being negligible. In an advantageous embodiment, the semiconductor switches TI, T2, T3, T4 in conjunction with the reversing capacitor C Z vs, C Z vs +, C zvs -, C zvs ++, C zvs + -, C zvs - +, C zvs ZVS be switchable (zero voltage switching), in particular without voltage, can be switched on with almost no loss, and can be switched off with limited voltage rise speed with low losses. In this case, low-loss turn-off can result from limiting the rate at which the voltage rises, with the semiconductor switches, in particular switching transistors, turning off faster than a voltage can build up. By implementing the ZVS switching principle, the efficiency is significantly increased, thermal waste heat from the DC/DO converter is minimized and the service life is greatly extended, so that both energy giekosten minimized as well as the service life of the DC / DC converter can be significantly increased ¬ Lich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Umschwingkonden¬ sator Czvs+, Czvs pro Halbbrücke Hl, H2 zugeordnet sein, bevorzugt jeweils ein Umschwingkondensator Czvs++, Czvs+ , Czvs-+, Czvs-- pro Halbleiterschalter TI, T2, T3, T4 parallel geschaltet sein. Somit ist jedem Halbleiterschalter ein Umschwing¬ kondensator zugeordnet, so dass eine Schaltüberspannung beim Ausschalten mi¬ nimiert wird. Der Umschwingkondensator ist insbesondere für ein Ausschalten relevant. Durch zusätzliche Umschwingkondensatoren an den Halbbrückenaus¬ gängen bzw. parallel zu den Halbleiterschaltern TI, T2, T3, T4 kann ein verlust¬ armes Ausschalten erreicht werden. Durch eine leicht abweichende Ausschalt¬ verzögerung kann gleichwohl eine Symmetrierung der Mittelspannung Uzk+, Uzk erreicht werden. Alternativ kann bereits durch einen einzigen Kondensator Czvs zwischen den beiden Halbbrückenausgängen Ml, M2 bereits ein weiches Schal¬ ten erreicht werden. Selbst bei Verzicht auf einen Umschwingkondensator kön¬ nen die Schaltverluste beim ZVS-Schalten kleiner ausfallen als bei einem harten Schalten, da die Drain/Source -Kapazität der Halbleiter als Umschwingkondensa¬ tor verwendet werden kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Stromregler Com zur Erfassung zumindest eines Drosselstroms ILS zumindest einer Sp eicherdrossel Ls+, L s umfasst sein, insbesondere zur Erfassung aller Drosselströme ILS+, ILS der beiden Speicherdrosseln Ls+, L s. Der Stromregler Com kann eingerichtet sein, auf Basis des erfassten Drosselstroms ILS Schaltsig¬ nale ST1, ST2, ST3, ST4 der Halbleiterschalter TI, T2, T3, T4 insbesondere zur Regelung eines Maximal- und eines Mini mal wertes des Drosselstroms ILS ZU er¬ zeugen. Durch eine Regelung des Maximalwertes und des Minimal wertes des bzw. der Drosselströme wird eine Ripplestromregelung erreicht, wodurch zusätz¬ lich der Mittelwert des Drosselstroms einstellbar ist. In der Regel sind die Schaltsignale ST1 & ST4 sowie ST2 & ST3 synchron zueinander, wodurch eine Gleichtaktspannung am Ausgang unter Berücksichtigung der ZVS- Anforderungen an die Schaltvorgänge vermieden werden kann. Die Einschalt¬ verzögerung dient dazu, die Spannung an den Umschwingkondensatoren, d.h. den ZVS Kondensatoren umschwingen zu lassen. Der Stromregler arbeitet somit als Hystereseregler zur Bestimmung der Einschaltverzögerung. Durch eine leich te Variation einer Ausschaltverzögerung der einzelnen Schaltsignale kann zu dem eine aktive Symmetrierung der Mittelspannung Uzk+, Uzk erreicht werden. Die Generierung der Schaltsignale kann auf Basis des Drosselstroms ILS zumin dest einer, bevorzugt beider Sp eicherdrosseln Ls+, Ls erfolgen, sodass eine gere gelte Bereitstellung der Ausgangsspannung Uout ermöghcht werden kann. Eine Überschreitung eines Maximalwertes bzw. Unterschreiten eines Minimal wertes eines Drosselstroms kann durch den bevorzugt als Hystereseregler ausgeführten Stromregler das Ausschalten bzw. Einschalten entsprechender Halbleiter sch alter bewirken. Dessen Schalthysterese wird somit durch einen Maximal- und Mini malwert des Drosselstroms, die zumindest einen Nulldurchgang des Drossel stroms je Schaltperiode sicherstellen sollten, definiert. In an advantageous embodiment, at least one reversing capacitor Czvs+, Czvs per half-bridge Hl, H2 can be assigned, preferably one reversing capacitor Czvs++, Czvs+, C zvs -+, C zvs -- per semiconductor switch TI, T2, T3, T4 can be connected in parallel . Each semiconductor switch is therefore assigned a resonant capacitor, so that a switching overvoltage when switching off is minimized. The reversing capacitor is particularly relevant for switching off. Low-loss switching off can be achieved by additional reversing capacitors on the half- bridge outputs or in parallel with the semiconductor switches T1, T2, T3, T4. A balancing of the mean voltage U z k+ , U z k can nevertheless be achieved by means of a slightly different turn-off delay . Alternatively, a soft switching can already be achieved by a single capacitor C zvs between the two half-bridge outputs M1, M2. Even if there is no reversing capacitor, the switching losses in ZVS switching can be smaller than in the case of hard switching, since the drain/source capacitance of the semiconductors can be used as a reversing capacitor . In an advantageous embodiment, a current controller Com can be included for detecting at least one inductor current ILS of at least one storage inductor Ls + , Ls, in particular for detecting all inductor currents ILS+, ILS of the two storage inductors Ls + , Ls. The current controller Com can be set up on the basis of the detected inductor current ILS switching signals ST1 , ST2, ST3, ST4 of the semiconductor switches TI, T2, T3, T4, in particular for controlling a maximum and a minimum value of the inductor current ILS ZU, testify ¬ . Ripple current control is achieved by controlling the maximum value and the minimum value of the inductor current or currents, as a result of which the mean value of the inductor current can also be adjusted. As a rule, the switching signals ST1 & ST4 as well as ST2 & ST3 are synchronous with one another, which means that a common-mode voltage at the output can be avoided, taking into account the ZVS requirements for the switching processes. The switch-on delay ¬ serves to reduce the voltage across the reversing capacitors, ie to let the ZVS capacitors swing around. The current controller thus works as a hysteresis controller to determine the switch-on delay. A slight variation of a switch-off delay of the individual switching signals can also be used to achieve active balancing of the mean voltage U zk+ , U zk . The switching signals can be generated on the basis of the inductor current ILS at least one, preferably both storage inductors Ls + , Ls, so that the output voltage U out can be made available in a regulated manner. If an inductor current exceeds a maximum value or falls below a minimum value, the current controller, which is preferably designed as a hysteresis controller, can cause corresponding semiconductor switches to be switched on or off. Its switching hysteresis is thus defined by a maximum and minimum value of the inductor current, which should ensure at least one zero crossing of the inductor current per switching period.
Vorteilhaft kann der Stromregler Com alle Drosselströme ILS+, ILS der Speicher drosseln Ls+, Ls separat erfassen, wodurch die Schaltimpulse ST1, ST2, ST3, ST4 in Abhängigkeit der Drosselströme ILS+, ILS einstellbar sind. Daneben kann vor teilhaft, durch eine Stromdifferenzbildung der Drosselströme ILS+ ILS zumindest bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Stromdifferenzbetrages ein Diffe renzstromfehler, insbesondere ein Stromversorgungsfehler, z.B. ein Leckstrom, erkannt werden, wonach beispielsweise der Stromregler Com oder eine überge ordnete Steuereinheit Schaltimpulse unterbinden und somit den Gleichspan nungswandler 20 abschalten kann. Alternativ oder ergänzend können andere Abschalteinrichtungen, insbesondere Schütze, zum Abschalten genutzt werden, wenn durch eine Stromdifferenzbildung der Drosselströme ILS+ ILS zumindest bei Überschreitung eines vorbestimmbaren Stromdifferenzbetrages ein Diffe renzstromfehler, insbesondere ein Leckstrom, erkannt wird. The current regulator Com can advantageously detect all inductor currents ILS+, ILS of the storage inductors Ls +, Ls separately, as a result of which the switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 can be set as a function of the inductor currents ILS+, ILS. In addition, a differential current error, in particular a power supply error, e.g. a leakage current, can be advantageously detected by forming the current difference between the inductor currents ILS+ILS, at least when a predeterminable current difference amount is exceeded, after which the current regulator Com or a higher-level control unit, for example, suppress switching pulses and thus the DC voltage converter 20 can switch off. Alternatively or additionally, other switch-off devices, in particular contactors, can be used for switching off if a differential current error, in particular a leakage current, is detected by forming a current difference between the inductor currents ILS+ILS, at least when a predeterminable current difference amount is exceeded.
In der Regel können die Speicherdrossel Ls+, L s separat und baulich getrennt ausgeführt sein, und magnetisch nicht verkoppelt sein. Bevorzugt sind dabei die Speicherdrosselen Ls+, L s- mit gleicher Induktivität ausgeführt. Durch eine vor teilhafte Weiterbildung der Erfindung kann der Speichertransformator Ts zwei symmetrische Wicklungen der beiden Sp eicherdrosseln Ls+, L s mit gleicher Windungszahl auf einem gemeinsamen Magnetkern umfassen. Dabei kann bei Hochleistungsanwendungen bevorzugt der Speichertransformator Ts eine Ge samtinduktivität von 20 mH oder weniger und/oder eine Gesamtwindungszahl mit neun Windungen oder weniger aufweisen. Bei einer Anwendung mit geringer Leistungsanforderung, beispielsweise einer Ladestation mit geringer Leistung kleiner 10 kW können auch höhere Gesamtinduktivitäten >20 mH und größere Windungszahlen eingesetzt werden. As a rule, the storage inductors Ls + , L s can be designed separately and structurally separate, and not magnetically coupled. The storage inductors Ls + , L s− are preferably designed with the same inductance. By virtue of a further development of the invention, the storage transformer Ts can have two include symmetrical windings of the two storage inductors Ls + , L s with the same number of turns on a common magnetic core. In high-power applications, the storage transformer Ts can preferably have a total inductance of 20 mH or less and/or a total number of turns of nine turns or less. In an application with a low power requirement, for example a charging station with a low power of less than 10 kW, higher total inductances >20 mH and larger numbers of turns can also be used.
Bei einem großen Ripplestrom, der zumindest Nulldurchgänge im Drosselstrom erzeugt, kann der Speichertransformator Ts eine geringe Induktivität und weni ge Windungen aufweisen. Dadurch treten geringe Kupferverluste und vernach lässigbare parasitäre Windungskapazitäten auf. Geringe Windungskapazitäten sind wiederum günstig in Bezug auf das EMV-Verhalten, insbesondere können unerwünschte kapazitive Ableitströme in den Ausgängen vermieden werden und ein ausgangsseitiger Gleichtaktfilter kann entfallen oder einfach ausgestaltet sein. Bei einer herkömmlichen Auslegung des Speichertransformators Ts auf ei nen Ripplestromeffektivwert von zehn Prozent des DC -Stroms würde man hinge gen eine praktisch neunfache Gesamtinduktivität bis zu 180 mH, d.h. bis zu 90 mH pro Speicherdrossel Ls+, Ls , und eine dreifache Windungszahl bis zu 27 Win dungen oder mehr benötigen. With a large ripple current, which produces at least zero crossings in the inductor current, the storage transformer Ts can have a low inductance and few turns. This results in low copper losses and negligible parasitic winding capacitances. In turn, low winding capacitances are favorable with regard to the EMC behavior; in particular, undesired capacitive leakage currents in the outputs can be avoided and a common-mode filter on the output side can be omitted or simply configured. With a conventional design of the storage transformer Ts for an effective ripple current value of ten percent of the DC current, on the other hand, the total inductance would be practically nine times that of up to 180 mH, i.e. up to 90 mH per storage choke Ls + , Ls , and three times the number of turns, up to 27 turns or more.
Bei angenommen unveränderten Wickelfensterquerschnitten mit gleichem Füll faktor wäre der Kupferwiderstand um den Faktor neun höher. Dies zeigt, dass bei der Auslegung auf einen hohen Ripplestrom mit Nulldurchgängen trotz des ca. 30 % höheren Drosselstromeffektivwerts die Kupferverluste in der Drossel massiv gesenkt werden können, wobei diese Einsparungen in der Realität nicht ganz so dramatisch ausfallen, da der Einfluss eines Skineffektes bei hohen Schaltfrequenzen nicht berücksichtigt ist, der bei einem hohen Ripplestrom nicht zu vernachlässigen ist. Jedenfalls sind die Kernverluste deutlich geringer als die Kupferverluste und diese können bei einfach ausgeführten Speicherdrosselkonfi gurationen deutlich herabgesetzt werden. Insbesondere können bei gestapelten Ferritkernen die erforderlichen Innenquerschnitte durch den für die Wicklung benötigten Kupferquerschnitt bestimmt werden. Assuming the same winding window cross sections with the same fill factor, the copper resistance would be nine times higher. This shows that when designed for a high ripple current with zero crossings, the copper losses in the choke can be massively reduced despite the approx. 30% higher rms choke current value, although these savings are not quite as dramatic in reality, since the influence of a skin effect at high Switching frequencies is not taken into account, which is not negligible with a high ripple current. In any case, the core losses are significantly lower than the copper losses and these can be significantly reduced with simple storage choke configurations. In particular, when stacked ferrite cores, the required internal cross-sections are determined by the copper cross-section required for the winding.
Im Vergleich zum hartschaltenden Betrieb der aus dem Stand der Technik be¬ kannten DC/DOWandler gestaltet sich ein höherer Ripplestrom für die die Zwi¬ schenkreiskondensatoren CZK oder Ausgangskondensatoren, insbesondere Cs, unproblematisch, da verlustarme Folienkondensatoren eingesetzt werden kön¬ nen. Für die Umschwingkondensatoren CZvs können vorzugsweise verlustarme Keramikkondensatoren in SMD -Ausführung eingesetzt werden. Die Ripp- lestrombelastung des Zwischenkreises ist nur geringfügig höher als im hartschal¬ tenden Betrieb. Compared to the hard-switching operation of the DC/DO converters known from the prior art, a higher ripple current for the intermediate circuit capacitors CZK or output capacitors, in particular Cs , presents no problems, since low-loss film capacitors can be used. Low-loss ceramic capacitors in SMD design can preferably be used for the resonant capacitors C Z vs. The ripple current load of the intermediate circuit is only slightly higher than in hard - switching operation.
Sowohl der Maximal- und Minimalwert des Drosselstroms, und somit der Dros¬ selstrommittelwert als auch die Ripplestromamplitude können durch den Strom¬ regler Coni geregelt werden, insbesondere derart, dass die Halbleiterschalter derart geschaltet werden, dass sich Nulldurchgänge im Drosselstrom einstellen. Der Mittelwert des Drosselstroms ILS bestimmt den Wirk-Energie-Transfer und die Energieflussrichtung. Die Ripplestromamplitude bestimmt die für das ZVS- Schalten im DC/DC-Wandler zirkulierende Blindenergie, wobei so viel Energie in der Drosselspule gespeichert bleibt, dass die Umschwingkondensatoren umgela¬ den werden können. Both the maximum and minimum value of the inductor current, and thus the inductor current mean value and the ripple current amplitude can be controlled by the current controller Coni, in particular in such a way that the semiconductor switches are switched in such a way that zero crossings occur in the inductor current. The mean value of the inductor current ILS determines the active energy transfer and the energy flow direction. The ripple current amplitude determines the reactive energy circulating in the DC/DC converter for the ZVS switching, so much energy remaining stored in the inductor that the reversing capacitors can be recharged.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zwischen dem Spei¬ cherkondensator Cs und dem ausgangsseitigen Ausgangspotentialabgriffs DC+, DC- eine Filterstufe FIS nachgeschaltet sein. Insbesondere kann diese Filterstufe FIS zumindest eine stromkompensierte Drossel Lis und eine Kondensatorbrücke HC mit zwei in Reihe geschalteten Mittelspannungs-Filterkondensatoren Cis+,In an advantageous development of the invention, a filter stage FIS can be connected downstream between the storage capacitor C s and the output potential tap DC+, DC- on the output side. In particular, this filter stage FIS can have at least one current-compensated choke Lis and a capacitor bridge HC with two series-connected medium-voltage filter capacitors Cis + ,
Cis umfassen, die hochfrequente Spannungsanteile der Ausgangsspannung U0ut herausfiltern können. Bevorzugt kann am Mittelabgriff der Kondensatorbrücke HC ein Erdungs-Filterkondensator CISG mit einem Erdpotential verbunden sein, um wiederum eine hochfrequente Erdung des DC-Ausgangs zu erreichen. Gleichwohl kann jeweils ein Filterkondensator zwischen DC+ bzw. DC- und Erde geschaltet sein, und ein weiterer Filterkondensator zwischen DC+ und DO ge schaltet sein. Gleichwohl kann auch ein abweichendes Filterkondensatornetz werk eingesetzt werden. Cis include that can filter out high-frequency voltage components of the output voltage U 0 ut. A grounding filter capacitor CISG can preferably be connected to a ground potential at the center tap of the capacitor bridge HC, in order in turn to achieve high-frequency grounding of the DC output. Nevertheless, a filter capacitor can be placed between DC+ or DC- and earth be connected, and another filter capacitor between DC+ and DO be connected. However, a different filter capacitor network can also be used.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Zwischenkreisspannung UZK 950 V oder höher sein, um einen Bereich der Ausgangsspannung Uout von zumin dest zwischen 200 V bis 920 V einzustellen. In an advantageous embodiment, the intermediate circuit voltage UZK can be 950 V or higher in order to set a range of the output voltage U out of at least between 200 V and 920 V.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann jeder Halbleiter schalter TI, T2, T3, T4 eine Parallelschaltung von zwei oder mehreren Schalt transistoren umfassen. Durch diese Parallelschaltung können der Halbleiterwir kungsgrad in gewissen Grenzen erhöht, sowie höhere Ausgangsleistungen zur Verfügung gestellt werden. Die Halbleiterschalter TI, T2, T3, T4 weisen auf grund des Z VS -Schaltverhaltens lediglich Durchlassverluste und keine Ein schaltverluste sowie geringe Ausschaltverluste auf, wobei weiterhin die Durch lassverluste durch ein Parallelschalten von Halbleitern weiterhin minimiert und die Effizienz gesteigert werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, each semiconductor switch TI, T2, T3, T4 include a parallel connection of two or more switching transistors. With this parallel connection, the degree of efficiency of the semiconductors can be increased within certain limits and higher output powers can be made available. Due to the Z VS switching behavior, the semiconductor switches TI, T2, T3, T4 only have conduction losses and no turn-on losses and low turn-off losses, with the conduction losses being further minimized by connecting semiconductors in parallel and efficiency being increased.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Ladestati on zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeu ges mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation koppelbaren mehrphasigen Netzes vorgeschlagen, wobei die Ladestation einen mit einer An zahl von Phasen des mehrphasigen Netzes koppelbaren AC/DC-Wandler und ei nen dem AC/DC-Wandler nachgeschalteten Zwischenkreis aufweist. Das Verfah ren umfasst^ According to a second aspect, a method for operating a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle with electrical energy using a multi-phase network that can be coupled to the charging station is proposed, with the charging station having a number of phases of the multi-phase network that can be coupled AC/DC converter and an intermediate circuit downstream of the AC/DC converter. The procedure includes^
Um wandeln einer eingangsseitigen Zwischenkreisspannung Uzk in eine Ausgangsspannung Uout oder umgekehrt mittel eines dem Zwischenkreis nach geschalteten bidirektionalen DC/DC-Wandlers umfassend eine Reihenschaltung zweier Halbbrücken Hl, H2 mit vier Halbleiterschaltern, wobei jede Halbbrücke Hl, H2 zwischen einer eingangsseitigen Zwischenkreis-Potentialschiene ZK+, ZK- mit Zwischenkreisspannung Uzk und einer Mittelpotentialschiene ZM mit symmetrischer, insbesondere erdsymmetrischer, Mittelspannung UZK+, UZK- geschaltet ist, und wobei jeder Mittelabgriff Ml, M2 der Halbbrücke Hl, H2 mit einer Sp eicherdrossel Ls+, Ls- und einem Speicherkondensator CS zusammen wirkt, so dass zwei bidirektionale Synchronwandler in Reihe geschaltet sind, wo bei am Mittelabgriff Ml, M2 jeder Halbbrücke Hl, H2 zumindest ein Um schwingkondensator CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, czvs- angeschlossen ist. To convert an input-side intermediate circuit voltage Uzk into an output voltage Uout or vice versa by means of a bidirectional DC/DC converter connected downstream of the intermediate circuit, comprising a series connection of two half-bridges Hl, H2 with four semiconductor switches, with each half-bridge Hl, H2 between an input-side intermediate circuit potential rail ZK+, ZK- with intermediate circuit voltage Uzk and a medium-potential busbar ZM with symmetrical, in particular ground-symmetrical, medium voltage UZK+, UZK- is connected, and each center tap Ml, M2 of the half-bridge Hl, H2 interacts with a storage inductor Ls+, Ls- and a storage capacitor CS, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series, with the center tap Ml, M2 of each half-bridge Hl , H2 at least one resonant capacitor CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, czvs- is connected.
Dieses Verfahren weist die gleichen Vorteile auf, die zu der Ladestation gemäß dem ersten Aspekt erläutert sind. Die für die vorgeschlagene Ladestation be schriebenen Ausführungsformen gelten für das vorgeschlagene Verfahren ent sprechend. Weiterhin gelten die Definitionen und Erläuterungen zu der Ladesta tion auch für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend. This method has the same advantages as explained for the charging station according to the first aspect. The embodiments described for the proposed charging station apply accordingly to the proposed method. Furthermore, the definitions and explanations for the charging station also apply accordingly to the proposed method.
"Ein" ist vorliegend nicht zwingend als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl von Elementen gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. As used herein, "a" is not necessarily to be construed as being limited to exactly one element. Rather, a plurality of elements, such as two, three or more, can also be provided. Any other count word used here should also not be understood to mean that there is a restriction to precisely the stated number of elements. Rather, numerical deviations upwards and downwards are possible, unless otherwise stated.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht expli zit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausfüh rungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen. Further possible implementations of the invention also include combinations of features or embodiments described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. The person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegen stand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungs beispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzug ten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung mit einer ersten Ausführungs form einer Ladestation und einem Elektrofahrzeug; Further advantageous refinements and aspects of the invention are the subject matter of the subclaims and of the exemplary embodiments of the invention described below. The invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with reference to the enclosed figures. Fig. 1 shows schematically an arrangement with a first embodiment of a charging station and an electric vehicle;
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungs form einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges; 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle;
Fig. 3 die Grundkonfiguration eines ZVS-Schaltkonzeptes einer Halb brücke; 3 shows the basic configuration of a ZVS switching concept of a half-bridge;
Fig. 4a, 4b ein erstes und zweites Ausführungsbeispiel eines DC/DC- Wandlers; 4a, 4b show a first and second exemplary embodiment of a DC/DC converter;
Fig. 5a, 5b weitere Ausführungsbeispiele von DC/DC -Wandlern; 5a, 5b further exemplary embodiments of DC/DC converters;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines DC/DC-Wandlers; und 6 shows a further exemplary embodiment of a DC/DC converter; and
Fig. 7 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zumFig. 7 shows a schematic flowchart of a method for
Betreiben einer Ladestation zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges. Operating a charging station for charging and/or discharging an energy store of an electric vehicle.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Be zugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist. In the figures, elements that are the same or have the same function have been provided with the same reference symbols, unless otherwise stated.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung mit einer ersten Ausführungsform einer Ladestation 1 und einem elektrischen Energiespeicher 2 eines Elektrofahrzeuges 3. Fig. 1 schematically shows an arrangement with a first embodiment of a charging station 1 and an electrical energy store 2 of an electric vehicle 3.
In dem Beispiel der Fig. 1 ist ein mehrphasiges Teilnehmernetz 4 mittels eines Netzanschlusspunktes 6 an ein mehrphasiges Energieversorgungsnetz 7 ange schlossen. Das mehrphasige Teilnehmernetz 4 hat insbesondere eine Anzahl von Phasen, beispielsweise LI, L2 und L3, sowie einen Neutralleiter N. Es handelt sich in diesem Beispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit jeweils um drei phasige Stromnetze. Das Elektrofahrzeug 2 ist mittels eines Ladekabels 5, das mit einer Anschlussbuchse (nicht gezeigt) der Ladestation 1 verbunden ist, mit der Ladestation 1 gekoppelt. In the example of FIG. 1, a multi-phase subscriber network 4 is connected to a multi-phase power supply network 7 by means of a network connection point 6 . The multi-phase subscriber network 4 has in particular a number of phases, for example LI, L2 and L3, and a neutral conductor N. It is in this example, without loss of generality, are three-phase power grids. The electric vehicle 2 is coupled to the charging station 1 by means of a charging cable 5 which is connected to a connection socket (not shown) of the charging station 1 .
Die Ladestation 1 kann eine Anzahl elektrischer und/oder elektronischer Kom ponenten aufweisen (nicht dargestellt in Fig. 1, siehe zum Beispiel in Fig. 2) und ist zum Laden und/oder Entladen des Energiespeichers 2 des Elektrofahrzeuges 3 mit elektrischer Energie mittels des mit der Ladestation 1 gekoppelten mehr phasigen Teilnehmernetzes 4 eingerichtet. The charging station 1 can have a number of electrical and/or electronic components (not shown in FIG. 1, see for example FIG. 2) and is for charging and/or discharging the energy store 2 of the electric vehicle 3 with electrical energy using the the charging station 1 coupled multi-phase subscriber network 4 set up.
Außerdem umfasst die Ladestation 1 vorzugsweise ein Kommunikationsmodul (nicht gezeigt). Das Kommunikationsmodul ist dazu eingerichtet, einen Ladeplan mit einer Ladeelektronik des mit der Ladestation 1 gekoppelten Energiespeichers 2 auszuhandeln. In addition, the charging station 1 preferably comprises a communication module (not shown). The communication module is set up to negotiate a charging plan with charging electronics of the energy store 2 coupled to the charging station 1 .
Das Aushandeln erfolgt beispielsweise wie in der ISO 15118 beschrieben. Bei spielsweise fragt die Ladeelektronik des Energiespeichers 2 eine bestimmte La deleistung über das Kommunikationsmodul bei der Ladestation 1 an und die La destation 1 ermittelt, ob die angefragte Ladeleistung bereitstellbar ist. Hierbei werden insbesondere ein aktueller Zustand des Teilnehmernetzes 4 und/oder des Energieversorgungsnetzes 7 berücksichtigt. Wenn die angefragte Ladeleistung nicht bereitstellbar ist, kann die Ladestation 1 über das Kommunikationsmodul einen "Gegenvorschlag" machen, welcher von der Ladeelektronik des Energie speichers 2 angenommen werden kann oder aber die Ladeelektronik stellt erneut eine eigene Anfrage. Auf diese Weise kommunizieren die Ladestation 1 und die Ladeelektronik des Energiespeichers 2, bis der Ladeplan ausgehandelt ist. Das Aushandeln des Ladeplans kann Teil des Kopplungsvorgangs sein, wenn ein Energiespeicher 2 neu mit der Ladestation 1 verbunden wird. Negotiation takes place, for example, as described in ISO 15118. For example, the charging electronics of the energy storage device 2 requests a certain charging capacity via the communication module at the charging station 1 and the charging station 1 determines whether the requested charging capacity can be provided. A current state of the subscriber network 4 and/or the power supply network 7 is taken into account in particular. If the requested charging power cannot be provided, the charging station 1 can make a "counterproposal" via the communication module, which can be accepted by the charging electronics of the energy storage device 2, or the charging electronics can make its own request again. In this way, the charging station 1 and the charging electronics of the energy store 2 communicate until the charging plan has been negotiated. Negotiating the charging plan can be part of the pairing process when an energy storage device 2 is newly connected to the charging station 1 .
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Ladestation 1 zum Laden und Entladen eines Energiespeichers 2 eines Elektro- fahrzeuges 3. Die zweite Ausführungsform der Fig. 2 umfasst alle Merkmale der ersten Ausführungsform nach Fig. 1. Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of a second embodiment of a charging station 1 for charging and discharging an energy store 2 of an electric vehicle 3. The second embodiment of Fig. 2 includes all features of the first embodiment of Fig. 1.
Die Ladestation 1 der Fig. 2 hat drei Anschlussklemme 101, 102, 103 für die drei Phasen LI, L2, L3 des mehrphasigen Netzes 4. Insbesondere hat die Ladestation 1 auch eine weitere Anschlussklemme (nicht gezeigt) für den Neutralleiter N. The charging station 1 of Fig. 2 has three connection terminals 101, 102, 103 for the three phases LI, L2, L3 of the multi-phase network 4. In particular, the charging station 1 also has another connection terminal (not shown) for the neutral conductor N.
Gemäß der Fig. 2 ist eine EMV-Filtervorrichtung 200 den Anschlussklemmen 101, 102, 103 nachgeschaltet. Des Weiteren umfasst die Ladestation 1 der Fig. 2 eine der EMV-Filtervorrichtung 200 nachgeschaltete LCL-Filtervorrichtung 300, einen AC/DC-Wandler 400, einen Zwischenkreis 500, einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 600 sowie einen Ausgangszwischenkreis 700, an dem ein nega¬ tiver Ausgangspotenzialabgriff 701 und ein positiver Ausgangspotenzialabgriff 702 angeschlossen sind. According to FIG. 2, an EMC filter device 200 is connected downstream of the connection terminals 101, 102, 103. Furthermore, the charging station 1 of FIG. 2 comprises an LCL filter device 300 connected downstream of the EMC filter device 200, an AC/DC converter 400, an intermediate circuit 500, a bidirectional DC/DC converter 600 and an intermediate output circuit 700, to which a negative output potential tap 701 and a positive output potential tap 702 are connected.
Weiter zeigt die Fig. 3 die Grundkonfiguration eines ZVS-Schaltkonzeptes einer Halbbrücke und die Fig. 4 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für den in Fig.2 gezeigten bidirektionalen DC/DC-Wandler 600. Furthermore, FIG. 3 shows the basic configuration of a ZVS switching concept of a half-bridge and FIGS. 4 to 6 show various exemplary embodiments for the bidirectional DC/DC converter 600 shown in FIG.
Mit anderen Worten kann der bidirektionale DC/DC-Wandler 600 der Fig. 2 durch den DC/DC-Wandler 10 der Fig. 4a, durch den DC/DC-Wandler 20 der Fig. 4b, durch den DC/DC-Wandler 30 der Fig. 5a, durch den DC/DC-Wandler 40 der Fig. 5b oder durch den DC/DC-Wandler 50 der Fig. 6 ausgebildet sein. In other words, the bidirectional DC/DC converter 600 of Fig. 2 can be replaced by the DC/DC converter 10 of Fig. 4a, by the DC/DC converter 20 of Fig. 4b, by the DC/DC converter 30 of FIG. 5a, by the DC/DC converter 40 of FIG. 5b or by the DC/DC converter 50 of FIG.
Wie oben ausgeführt, zeigt die Fig. 3 eine Konfiguration 14 eines Zero Voltage Switching Konzepts einer Halbbrücke, umfassend zwei Halbleiterschalter TI, T2. Die ZVS-Schalttopologie 14 der Fig. 3 stellt einen Teil der in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsform des DC/DC-Wandlers 10 dar. Dabei kann die in der Drossel zum Ausschaltzeitpunkt des einen Halbleiterschalters gespeicherte Energie den Umschwingkondensator auf das jeweils andere Zwischenkreispoten¬ tial umladen, so dass der andere Halbleiterschalter spannungslos und verlustfrei einschalten kann. Somit kann praktisch spannungslos und verlustarm einge- schaltet werden, und mit reduziertem Spannungsanstieg ausgeschaltet wird. Ge¬ rade bei Stromversorgungen oder Ladestationen im Bereich der Elektromobilität spielt der Wirkungsgrad eines DC/DOSpannungswandlers eine entscheidende Rolle. Durch ein ZVS-Schalten der Halbleiterschalter können praktisch die Ein¬ schaltverluste zu Null gesetzt werden, und eine unerwünschte thermische Er¬ wärmung kann minimiert werden. As explained above, FIG. 3 shows a configuration 14 of a zero-voltage switching concept of a half-bridge, comprising two semiconductor switches TI, T2. The ZVS switching topology 14 of FIG. 3 represents part of the first specific embodiment of the DC/DC converter 10 shown in FIG tial reload so that the other semiconductor switch can turn on without voltage and loss. This means that it can be switched on practically without voltage and with low switched, and switched off with a reduced voltage rise. The efficiency of a DC/ DO voltage converter plays a decisive role, particularly in the case of power supplies or charging stations in the field of electromobility. By ZVS switching the semiconductor switches, the switching losses can practically be set to zero, and unwanted thermal heating can be minimized.
Die Fig. 4a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel 10 eines bidirektionalen DC/DO Wandlers, der eine Eingangsspannung UZK eines symmetrischen Zwischenkrei¬ ses ZK mit den beiden Zwischenkreis-Mittelspannungen UZK+, UZK und einer Zwischenkreis-Mittelpotentialschiene ZM in eine Ausgangsspannung U0ut an den Ausgangspotentialabgriffen DC+, DO wandelt. Hierzu ist zwischen den Zwi- schenkreis-Potentialschienen ZK+, ZK- und der Mittelpotentialschiene ZM je¬ weils eine Halbbrücke Hl bzw. H2 geschaltet. Jede Halbbrücke umfasst zwei Halbleiterschalter, die Halbbrücke Hl die Halbleiterschalter TI und T2, und die Halbbrücke H2 die Halbleiterschalter T3 und T4. 4a shows a first exemplary embodiment 10 of a bidirectional DC/DO converter, which converts an input voltage UZK of a symmetrical intermediate circuit ZK with the two intermediate circuit medium voltages UZK+, UZK and an intermediate circuit medium potential rail ZM into an output voltage U 0ut at the output potential taps DC+ , DO converts. For this purpose, a half-bridge H1 or H2 is connected between the intermediate circuit potential rails ZK+, ZK- and the middle potential rail ZM. Each half-bridge comprises two semiconductor switches, the half-bridge H1 the semiconductor switches TI and T2, and the half-bridge H2 the semiconductor switches T3 and T4.
Zwischen der Zwischenkreis-Potentialschiene ZK+ bzw. ZK- und der Mittelpoten¬ tialschiene ZM sind zwei Stabilisierungskondensatoren CZK+ bzw. CZK- zur Mit¬ telpotentialstabilisierung und zur Stützung der Zwischenkreisspannung UZK ge¬ schaltet. An den jeweiligen Mittelabgriffen Ml, M2 der Halbbrücken Hl bzw. H2 sind zwei symmetrische Speicherdrosseln Ls+ und Ls angeschlossen, die als Spei¬ chertransformator Ts magnetisch über ein Magnetkern miteinander gekoppelt sind. Alternativ können auch zwei einzelne, magnetisch nicht gekoppelte Dros¬ seln verwendet werden. Am Eingang des Speichertransformators Ts sind zwei Umschwingkondensatoren Czvs+ bzw. Czvs gegenüber der Mittelpotentialschiene ZM geschaltet, um ein ZVS-Schalten bzw. weiches Schalten der Halbleiterschal¬ ter der Dreipunkt-Brücke mit den beiden Halbbrücken Hl & H2 zu ermöglichen. Am Ausgang des Transformators Ts ist ein Speicherkondensator Cs parallel ge¬ schaltet und stabilisiert die Ausgangsspannung U0ut an die beiden Ausgangspo¬ tentialabgriffe DC+ und DO. Durch die Kombination der beiden Speicherdros¬ seln Ls+, Ls in einem Speichertransformator Ts als Speicherdrossel mit geteilter Wicklung und der Schaltung von Umschwingkondensatoren Czvs an den Mittel¬ abgriffen Ml, M2 der beiden Halbbrücken Hl, H2 wird eine erhebliche Verbesse¬ rung des Wirkungsgrades und eine geringere Störaussendung ermöglicht, wobei hohe Leistungen über 20 kW übertragen werden können. Two stabilization capacitors CZK+ or CZK- are connected between the intermediate circuit potential rail ZK+ or ZK- and the medium potential rail ZM for the purpose of stabilizing the intermediate circuit potential and for supporting the intermediate circuit voltage UZK . Two symmetrical storage chokes Ls + and Ls are connected to the respective center taps M1 , M2 of the half-bridges H1 and H2, and are magnetically coupled to one another as a storage transformer Ts via a magnetic core. Alternatively, two individual inductors that are not magnetically coupled can also be used. At the input of the storage transformer Ts, two resonant capacitors Czvs + and Czvs are connected with respect to the mid-potential rail ZM in order to enable ZVS switching or soft switching of the semiconductor switch of the three-point bridge with the two half-bridges H1 and H2. A storage capacitor Cs is connected in parallel at the output of the transformer Ts and stabilizes the output voltage U out at the two output potential taps DC+ and DO. By combining the two storage inductors ¬ Ls +, Ls in a storage transformer Ts as a storage inductor with shared Winding and the circuit of reversing capacitors Czvs at the center ¬ taps Ml, M2 of the two half-bridges Hl, H2 is a significant improvement ¬ tion of the efficiency and a lower emission of interference allows, with high power over 20 kW can be transmitted.
Der Strom durch eine Speicherdrossel Ls+ und/oder Ls wird als Drosselstrom ILS von einem Stromregler Coni erfasst. Auf Basis des Drosselstroms ILS, der einen Ripplestrom mit einer Amplitude höher als ein Mittelwert des Drosselstroms zur Erzeugung von Nulldurchgängen aufweist, erfolgt eine Steuerung des Tastgrades der Halbleiterschalter TI, T2, T3 und T4. Hierzu erzeugt der Stromregler Coni vier Schaltimpulse ST1, ST2, ST3, ST4 als Gate-Spannung der Halbleiterschalter TI, T2, T3, T4. Diese sind so eingestellt, dass jeweihge Halbleiterschalter ausge¬ schaltet werden, wenn ein Maximal- bzw. Minimalwert erreicht ist, wobei ausrei¬ chend Energie in der Sp eicherdrossel gespeichert ist, um ein Umladen der Um¬ schwingkondensatoren zu ermöglichen. The current through a storage choke Ls + and/or Ls is recorded as the choke current ILS by a current controller Coni. The duty cycle of the semiconductor switches TI, T2, T3 and T4 is controlled on the basis of the inductor current ILS, which has a ripple current with an amplitude higher than a mean value of the inductor current for generating zero crossings. For this purpose, the current controller Coni generates four switching pulses ST1, ST2, ST3, ST4 as the gate voltage of the semiconductor switches TI, T2, T3, T4. These are set in such a way that respective semiconductor switches are switched off when a maximum or minimum value is reached, with sufficient energy being stored in the storage inductor in order to enable the resonant capacitors to be recharged.
In der Regel werden jeweils zwei Halbleiterschalter TI & T4 sowie T2 & T3 gleichzeitig geschaltet, wobei die Halbleiterschalter TI & T4 im Gegentakt zu T2 & T3 geschaltet werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Dabei werden identi¬ sche Einschaltverzögerungen angenommen. Die Einschaltverzögerung dient da¬ zu, die Spannung an den Umschwingkondensatoren umschwingen zu lassen. Durch leicht unterschiedliche Ausschaltverzögerungen kann daneben eine aktive Symmetrierung der Ausgangsspannung Uout erfolgen, insbesondere um einen erdsymmetrischen Ausgang Uout zu gewährleisten. In der Regel ist im Stromreg¬ lern Coni die Stromregelung als Softwareverfahren hinterlegt. Um ein sehr schnelles Re glerverh alten zu erreichen, kann der Stromregelung Coni zumindest teilweise, insbesondere vollständig in Hardware ausgebildet sein. Der Stromreg¬ ler Coni kann weiterhin eine I/O -Schnittstelle RΊ/0 zu einer übergeordneten Prozessorsteuerung, beispielsweise einer Ladeelektronik für einen elektrochemi¬ schen Speicher aufweisen. Ein zweites Ausführungsbeispiel 20 ist in Fig. 4b dargestellt, dass im Wesentli chen dem Gleichspannungswandler 10 der Fig. 4a gleicht. Abweichend davon sind die beiden Sp eicherdrosseln Ls+, Ls mit gleicher Induktivität und magne tisch unabhängig und bauhch getrennt voneinander angeordnet, und nicht in einem Speichertransformator Ts zusammengeführt. Zudem erfasst der Stromreg ler Com beide Drosselströme ILS+, ILS- der Sp eicherdrosseln Ls+, Ls separat. Sofern ein Differenzstrom ungleich Null auftritt, kann der Gleichspannungswandler 20 abgeschaltet werden. As a rule, two semiconductor switches TI & T4 and T2 & T3 are switched simultaneously, with the semiconductor switches TI & T4 being switched in push-pull to T2 & T3 in order to avoid short circuits. Identi ¬ cal switch-on delays are assumed. The switch-on delay serves to allow the voltage at the reversing capacitors to resonate. Slightly different turn-off delays can also be used to actively balance the output voltage Uout , in particular to ensure an output Uout balanced to ground. As a rule, the current regulation is stored as a software method in the current regulator Coni. In order to achieve very fast controller behavior, the current controller Coni can be designed at least partially, in particular completely, in hardware. The current regulator Coni can also have an I/O interface /0 to a higher-level processor controller, for example charging electronics for an electrochemical store . A second exemplary embodiment 20 is shown in FIG. 4b, which is essentially the same as the DC/DC converter 10 of FIG. 4a. Deviating from this, the two storage chokes Ls +, Ls are arranged with the same inductance and magnetically independently and physically separate from one another, and are not combined in a storage transformer Ts. In addition, the current controller Com records both inductor currents ILS+, ILS- of the storage inductors Ls +, Ls separately. If a residual current not equal to zero occurs, the DC-DC converter 20 can be switched off.
In den Figuren 5a, 5b sind zwei weitere Ausführungsbeispiele 30, 40 von erfin dungsgemäßen DC/DC-Wandlern dargestellt, die im Wesenthchen der Konfigu ration der Fig. 4 entsprechen. Abweichend zur Fig. 4 ist in Fig. 5a der Gleich spannungswandler 30 an den Mittelabgriffen Ml, M2 der beiden Halbbrücken Hl, H2 mit einem gemeinsamen Umschwingkondensator Czvs verbunden. Analog wie im Ausführungsbeispiel des Gleichspannungswandlers 20 erfolgt eine Erfas sung beider Drosselströme ILS+, ILS durch den Stromregler Com, so dass das hier zu gesagte auch für diesen gilt. Es kann allerdings auch genügen, nur einen der beiden Drosselströme ILS+ oder ILS zur Regelung des Ripplestroms zu erfassen.FIGS. 5a, 5b show two further exemplary embodiments 30, 40 of DC/DC converters according to the invention, which essentially correspond to the configuration of FIG. Deviating from FIG. 4, in FIG. 5a the DC voltage converter 30 is connected to a common reversing capacitor Czvs at the center taps M1, M2 of the two half-bridges H1, H2. Analogous to the exemplary embodiment of the DC-DC converter 20, both inductor currents ILS+, ILS are detected by the current regulator Com, so that what has been said here also applies to this. However, it can also be sufficient to record only one of the two inductor currents ILS+ or ILS for controlling the ripple current.
In der Fig. 5b ist jedem Halbleiterschalter TI, T2, T3, T4 des Gleichspannungs- wandlers 40 ein Umschwingkondensator Czvs++, Czvs+-, Czvs +, Czvs parallel ge schaltet. Eine Erfassung des Drosselstroms erfolgt analog zur Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 10. In FIG. 5b, each semiconductor switch T1, T2, T3, T4 of the DC voltage converter 40 has a resonant capacitor Czvs++, Czvs+−, Czvs+, Czvs connected in parallel. The inductor current is detected analogously to the embodiment of the DC-DC converter 10.
Durch die unterschiedlichen Konfigurationen des Umschwingkondensators Czvs werden wahlweise die Zahl der Bauteile oder die Schaltüberspannungen mini miert. The different configurations of the reversing capacitor Czvs either minimize the number of components or the switching overvoltages.
Schließlich zeigt die Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel 50 eines DC/DC- Wandlers, das ebenfalls im Wesentlichen der Ausführungsform 10 der Fig. 4 ent spricht. Analog wie im Ausführungsbeispiel des Gleichspannungswandlers 20 und 30 erfolgt entweder eine Erfassung eines der beiden oder beider Drossel ströme ILS+, ILS durch den Stromregler Com, so dass das hierzu gesagte auch hier gilt. Am Speicherkondensator Cs ist vor dem Ausgangspotentialabgriff DC+, DC- eine Filterstufe FIS zwischengeschaltet. Die Filterstufe FIS umfasst eine strom¬ kompensierte Drossel Lis. Den Ausgangspotentialabgriffen DC+, DC- parallel geschaltet ist eine Halbbrücke aus zwei Mittelspannungs-Filterkondensatoren Cis+, Cis-, die als Kondensatorbrücke HC bezeichnet wird. Am Mittelabgriff der Kondensatorbrücke HC ist ein weiterer Erdungs-Filterkondensator CISG gegen¬ über Erde geschaltet, um die Ableitung von Gleichtaktströmen zu ermöglichen. Die Filterstufe FIS ermöglicht eine Funkentstörung und eine Verbesserung der EMV-Robustheit des DC/DC-Wandlers 50. Es gibt mehrere Möglichkeiten dieses Filter aufzubauen, so können auch ein Kondensator Cis und zwei Kondensatoren CISG vorgesehen sein, wobei jeweils ein Kondensator CISG von DC+ nach Erde und/oder von DC- nach Erde geschaltet ist. Finally, FIG. 6 shows a further exemplary embodiment 50 of a DC/DC converter, which likewise essentially corresponds to the exemplary embodiment 10 in FIG. Analogous to the exemplary embodiment of the DC-DC converters 20 and 30, either one of the two or both inductor currents ILS+, ILS is detected by the current regulator Com, so that what was said in this regard also applies here is applicable. A filter stage FIS is interposed on the storage capacitor Cs before the output potential tap DC+, DC-. The filter stage FIS includes a current-compensated choke Lis . A half-bridge made of two medium-voltage filter capacitors Cis +, Cis-, which is referred to as a capacitor bridge HC, is connected in parallel with the output potential taps DC+, DC-. At the center tap of the capacitor bridge HC, a further grounding filter capacitor CISG is connected to ground, in order to allow common-mode currents to be discharged. The filter stage FIS enables radio interference suppression and an improvement in the EMC robustness of the DC/DC converter 50. There are several ways of constructing this filter, a capacitor Cis and two capacitors CISG can also be provided, with one capacitor CISG from DC+ to ground and/or is connected from DC- to ground.
Ferner zeigt die Fig. 7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Ladestation 1 zum Laden und/oder Entladen eines Energiespei¬ chers 2 eines Elektrofahrzeuges 3 mit elektrischer Energie mittels eines mit der Ladestation 1 koppelbaren mehrphasigen Netzes 4. Die Ladestation 1 ist bei¬ spielsweise wie in den vorstehenden Figuren erläutert ausgebildet. 7 also shows a schematic flowchart of a method for operating a charging station 1 for charging and/or discharging an energy store ¬ chers 2 of an electric vehicle 3 with electrical energy by means of a multi-phase network 4 that can be coupled to the charging station 1. The charging station 1 is at ¬ for example formed as explained in the preceding figures.
In Schritt Sl wird die Ladestation 1 mit dem mehrphasigen Netz 4 und mit dem Energiespeicher 2 des Elektrofahrzeuges 3 gekoppelt. In step S1, the charging station 1 is coupled to the multi-phase network 4 and to the energy store 2 of the electric vehicle 3.
In Schritt S2 wird eine eingangsseitige Zwischenkreisspannung Uzk in eine Aus¬ gangsspannung (Uout) oder umgekehrt mittel eines dem Zwischenkreis 500 nachgeschalteten bidirektionalen DC/DC-Wandlers 600, 10, 20, 30, 40, 50 umge¬ wandelt. In step S2, an input-side intermediate circuit voltage Uzk is converted into an output voltage ( Uout ) or vice versa by means of a bidirectional DC/DC converter 600, 10, 20, 30, 40, 50 connected downstream of the intermediate circuit 500.
Obwohl die vorhegende Erfindung anhand von Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. BEZUGSZEICHENLISTE Although the present invention has been described on the basis of embodiments, it can be modified in many ways. REFERENCE LIST
1 Ladestation 1 charging station
2 Energiespeicher 2 energy storage
3 Elektrofahrzeug 3 electric vehicle
4 mehrphasiges Teilnehmernetz 4 multi-phase subscriber network
5 Ladekabel 5 charging cables
6 Netzanschlusspunkt 7 mehrphasiges Energieversorgungsnetz 10 Bidirektionaler DC/DOWandler 12 Bidirektionaler Synchronwandler 14 ZVS -Schalttopologie 20 Bidirektionaler DC/DOWandler 30 Bidirektionaler DODOWandler 40 Bidirektionaler DODOWandler 50 Bidirektionaler DODOWandler 101 Anschlussklemme 102 Anschlussklemme 103 Anschlussklemme 200 EMV-F iltervorrichtung 300 LCL-Filtervorrichtung 400 AC/DC-Wandler 500 Zwischenkreis 600 DODOWandler 6 grid connection point 7 multiphase energy supply network 10 bidirectional DC/DO converter 12 bidirectional synchronous converter 14 ZVS switching topology 20 bidirectional DC/DO converter 30 bidirectional DODO converter 40 bidirectional DODO converter 50 bidirectional DODO converter 101 connection terminal 102 connection terminal 103 connection terminal 200 EMC filter device 300 LCL filter device -Converter 500 intermediate circuit 600 DODO converter
700 Ausgangszwischenkreis 700 output intermediate circuit
701 Aus gan gsp ot entialab griff 701 Starting spot ential pick-up
702 Aus gan gsp ot entialab griff 702 Starting spot ential pick-up
UZK Zwischenkreissp annung UZK intermediate circuit voltage
UZK+, UZK- Zwischenkreis -Mittelsp annungUZK+, UZK- intermediate circuit medium voltage
Uout Ausgangspannung Uout output voltage
ZK+, ZK- Zwischenkreis -Potentialschiene ZM Zwischenkreis-MittelpotentialschieneZK + , ZK- intermediate circuit potential bar ZM intermediate circuit medium potential busbar
Hl, H2 Halbbrücke Hl, H2 half bridge
Ml, M2 Mittelabgriff der Halbbrücke Ml, M2 center tap of the half bridge
TI, T2, T3, T4 Halbleiterschalter TI, T2, T3, T4 semiconductor switches
ST1, ST2, ST3, ST4 Schaltsignal ST1, ST2, ST3, ST4 switching signal
CZK+, CZK- Zwischenkreiskondensator Czvs Umschwingkondensator CZK+, CZK- intermediate circuit capacitor Czvs resonant capacitor
Czvs+, Czvs- Mittelspannungs-UmschwingkondensatorCzvs+, Czvs- medium voltage resonant capacitor
Czvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- Schalterbezogene UmschwingkondensatorCzvs++, Czvs+-, Czvs-+, Czvs- Switch related reversing capacitor
Cs Speicherkondensator Cs storage capacitor
Ls Speicherdrossel L s storage choke
Ls+, Ls+ Symmetrische Speicherdrossel L s+, L s+ Symmetrical storage choke
Ts Sp eichertr ansform ator T s memory transform ator
DC+, DC- Aus gan gsp otentialab griff DC+, DC- Output potential tap
Con Stromregler Con current regulator
FIS Filterstufe FIS filter stage
ILS Drosselstrom ILS inductor current
HC Kondensatorbrücke HC capacitor bridge
Cis+, Cis- Mittelspannungs-FilterkondensatorCis+, Cis- medium voltage filter capacitor
ClSG Erdungs-Filterkondensator ClSG grounding filter capacitor
Lis Stromkompensierte Drossel Lis common mode choke
P-I/O I/O -Schnittstelle zur ProzessorsteuerungP-I/O I/O interface for processor control
LI Phase LI phase
L2 Phase L2 phase
L3 Phase L3 phase
N Neutralleiter N neutral conductor
Sl, S2 V erfahrene schritte Sl, S2 V experienced steps

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Ladestation (l) zum Laden und/oder Entladen eines Energiespeichers (2) eines Elektrofahrzeuges (3) mit elektrischer Energie mittels eines mit der La¬ destation (l) koppelbaren mehrphasigen Netzes (4), mit: einem mit einer Anzahl von Phasen (LI, L2, L3) des mehrphasigen Netzes (4) koppelbaren AC/DC-Wandler (400), einem dem AC/DC-Wandler (400) nachgeschalteten Zwischenkreis (500), und einem dem Zwischenkreis (500) nachgeschalteten bidirektionalen DC/DC- Wandler (600, 10, 20, 30, 40, 50) zur Umwandlung einer eingangsseitigen Zwi¬ schenkreisspannung (Uzk) in eine Ausgangsspannung (Uout) und umgekehrt, umfassend eine Reihenschaltung zweier Halbbrücken (Hl, H2) mit vier Halb¬ leiterschaltern (TI, T2, T3, T4), wobei jede Halbbrücke (Hl, H2) zwischen einer eingangsseitigen Zwischenkreis-Potentialschiene (ZK+, ZK-) mit Zwischenkreis - Spannung (Uzk) und einer Mittelpotentialschiene (ZM) mit symmetrischer, ins¬ besondere erdsymmetrischer, Mittelspannung (UZK+, UZK-) geschaltet ist, und wobei jeder Mittelabgriff (Ml, M2) der Halbbrücke (Hl, H2) mit einer Speicher¬ drossel (Ls+, LS-) und einem Speicherkondensator (CS) zusammenwirkt, so dass zwei bidirektionale Synchronwandler in Reihe geschaltet sind, wobei am Mittel¬ abgriff (Ml, M2) jeder Halbbrücke (Hl, H2) zumindest ein Umschwingkondensa¬ tor (CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS-) angeschlossen ist. 1. Charging station (l) for charging and/or discharging an energy store (2) of an electric vehicle (3) with electrical energy by means of a multiphase network (4) that can be coupled to the charging station (l), with: one having a number of phases (LI, L2, L3) of the multiphase network (4) that can be coupled AC/DC converter (400), an intermediate circuit (500) connected downstream of the AC/DC converter (400), and a bidirectional DC/DC converter connected downstream of the intermediate circuit (500). DC converter (600, 10, 20, 30, 40, 50) for converting an input-side intermediate circuit voltage ( Uzk ) into an output voltage ( Uout ) and vice versa, comprising a series connection of two half-bridges (Hl, H2) with four semiconductor switches (TI, T2, T3, T4), each half-bridge (Hl, H2) between an input-side intermediate circuit potential rail (ZK+, ZK-) with intermediate circuit voltage (Uzk) and a medium potential rail (ZM) with symmetrical, in particular ¬ ground-symmetrical , medium voltage (UZK+, UZK-) is connected, and where at each center tap (Ml, M2) of the half-bridge (Hl, H2) with a storage ¬ choke (Ls +, LS-) and a storage capacitor (CS) interacts, so that two bidirectional synchronous converters are connected in series, with the center ¬ tap ( Ml, M2) of each half-bridge (Hl, H2) at least one Umschwingkondensa ¬ tor (CZVS, CZVS +, CZVS, CZVS ++, CZVS +, CZVS +, CZVS-) is connected.
2. Ladestation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Speicherdrosseln (Ls+, Ls-) als Speichertransformator (TS) mag¬ netisch gekoppelt ausgeführt sind. 2. Charging station according to claim 1, characterized in that the two storage chokes (Ls +, Ls -) are designed as a storage transformer (TS) like ¬ magnetically coupled.
3. Ladestation nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherkondensator (CS) zwischen den Ausgangsseiten der beiden Speicherdrosseln (Ls+, Ls-) zur gemeinsamen Nutzung der beiden in Reihe ge schalteten bidirektionalen Synchronwandler geschaltet ist. 3. Charging station according to claim 1 or 2, characterized that a storage capacitor (CS) is connected between the output sides of the two storage chokes (Ls+, Ls-) for sharing the two series-connected bidirectional synchronous converters.
4. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (TI, T2, T3, T4) als Hochspannungs-MOSFET- Schalttransistoren mit einer niedrigen Sperrspannung kleiner gleich 900 V, ins besondere kleiner oder gleich 750V ausgeführt sind. 4. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (TI, T2, T3, T4) are designed as high-voltage MOSFET switching transistors with a low reverse voltage of less than or equal to 900 V, in particular less than or equal to 750V.
5. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter SiC-FETs sind, die einen SiC-JFET mit einem Si- MOSFET in einer Kaskodenschaltung kombinieren. 5. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches are SiC-FETs which combine a SiC-JFET with a Si-MOSFET in a cascode circuit.
6. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei korrespondierende Halbleiterschalter (TI & T4 sowie T2 & T3) der beiden Halbbrücken (Hl, H2) gleichzeitig schaltbar sind, insbesondere mit einer identischen Einschaltverzögerung schaltbar sind. 6. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that two corresponding semiconductor switches (TI & T4 and T2 & T3) of the two half-bridges (Hl, H2) can be switched simultaneously, in particular can be switched with an identical switch-on delay.
7. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (TI, T2, T3, T4) zur steuerbaren Symmetrierung der Zwischenkreisspannung (UZK+, UZK-) und/oder der Ausgangsspannung (Uout) mit unterschiedlichen Ausschaltverzögerungen schaltbar sind. 7. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (TI, T2, T3, T4) can be switched with different switch-off delays for the controllable balancing of the intermediate circuit voltage (UZK+, UZK-) and/or the output voltage (Uout).
8. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halbleiterschalter (TI, T2, T3, T4) eine Parallelschaltung von zwei oder mehreren Schalttransistoren umfasst. 8. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that each semiconductor switch (TI, T2, T3, T4) comprises a parallel connection of two or more switching transistors.
9. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (TI, T2, T3, T4) zur Erzeugung eines Rippelstroms mit einer Rippeiamplitude größer als ein Mittelwert des Drosselstroms schaltbar sind, so dass der Drosselstrom zwischen zwei Schaltvorgängen jeweils einen Nulldurchgang aufweist. 9. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (TI, T2, T3, T4) can be switched to generate a ripple current with a ripple amplitude greater than an average value of the inductor current, so that the inductor current has a zero crossing between two switching processes having.
10. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (TI, T2, T3, T4) in Zusammenspiel mit dem Um¬ schwingkondensator (CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS-) ZVS-schaltbar (zero voltage switching) sind, insbesondere spannungslos, nahezu verlustfrei einschaltbar, sowie mit begrenzter Spannungsanstiegsgeschwindig¬ keit verlustarm ausschaltbar sind. 10. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (TI, T2, T3, T4) in interaction with the To ¬ oscillating capacitor (CZVS, CZVS +, CZVS-, CZVS ++, CZVS +, CZVS +, CZVS- ) ZVS-switchable (zero voltage switching), in particular without voltage, can be switched on with almost no loss, and can be switched off with a limited voltage rise speed with low losses.
11. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Umschwingkondensator (CZVS+, CZVS-) pro Halbbrücke (Hl, H2) zugeordnet ist, bevorzugt ein Umschwingkondensator (CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS--) pro Halbleiterschalter (TI, T2, T3, T4) parallel ge¬ schaltet ist. 11. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that at least one reversing capacitor (CZVS+, CZVS-) is assigned per half-bridge (H1, H2), preferably one reversing capacitor (CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS--) per Semiconductor switches (TI, T2, T3, T4) is connected in parallel ge ¬ .
12. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromregler (Conl) zur Erfassung zumindest eines Drosselstroms (ILS, ILS+, ILS-) zumindest einer Speicherdrossel (Ls+, Ls-) umfasst ist, der eingerich¬ tet ist, auf Basis des Drosselstroms (ILS, ILS+, ILS-) Schaltsignale (ST1, ST2, ST3, ST4) der Halbleiterschalter (TI, T2, T3, T4), insbesondere zur Regelung ei¬ nes Maximal- und eines Minimalwertes des Drosselstroms (ILS, ILS+, ILS-), zu erzeugen. 12. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that a current controller (Conl) for detecting at least one inductor current (ILS, ILS+, ILS-) comprises at least one storage inductor (Ls+, Ls- ), which is set up Based on the inductor current (ILS, ILS+, ILS- ) switching signals (ST1, ST2, ST3, ST4) of the semiconductor switches (TI, T2, T3, T4), in particular for controlling a maximum and a minimum value of the inductor current (ILS, ILS+ , ILS-), to generate.
13. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speichertransformator (TS) zwei symmetrische Wicklungen der beiden Speicherdrosseln (Ls+, Ls-) mit gleicher Windungszahl auf einem gemeinsamen Magnetkern umfasst, wobei bevorzugt der Speichertransformator (TS) eine Selbstinduktivität von 20mH oder weniger und/oder eine Gesamtwindungszahl mit neun Windungen oder weniger aufweist. 13. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the storage transformer (TS) comprises two symmetrical windings of the two storage chokes (Ls+, Ls-) with the same number of turns on a common magnetic core, with the storage transformer (TS) preferably having a self-inductance of 20 mH or less and/or a total number of turns of nine Has turns or less.
14. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Speicherkondensator (CS) und einem ausgangsseitigen Aus gangspotentialabgriffs (DC+, DO) eine Filterstufe (FIS) nachgeschaltet ist. 14. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that a filter stage (FIS) is connected downstream between the storage capacitor (CS) and an output potential tap (DC+, DO).
15. Ladestation nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe (FIS) zumindest eine stromkompensierte Drossel (LIS) und eine Kondensatorbrücke (HC) mit zwei in Reihe geschalteten Mittelspannungs- Filterkondensatoren (CIS+, CIS-) umfasst, wobei bevorzugt am Mittelabgriff der Kondensatorbrücke (HC) ein Erdungs-Filterkondensator (CISG) gegenüber ei nem Erdpotential geschaltet ist, oder jeweils ein ausgangsseitiger Ausgangspo tentialabgriff (DC+, DC-) über einen Filterkondensator mit dem Erdpotential verbunden ist, und ein weiterer Filterkondensator zwischen den ausgangsseiti gen Ausgangspotentialabgriffen (DC+, DC-) geschaltet ist. 15. Charging station according to Claim 14, characterized in that the filter stage (FIS) comprises at least one current-compensated choke (LIS) and a capacitor bridge (HC) with two medium-voltage filter capacitors (CIS+, CIS-) connected in series, with the capacitor bridge (HC), a grounding filter capacitor (CISG) is connected to ground potential, or one output potential tap (DC+, DC-) on the output side is connected to ground potential via a filter capacitor, and another filter capacitor between the output potential taps on the output side (DC+ , DC-) is switched.
16. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (UZK) 950 V oder höher ist, und dass ein Be reich der Ausgangsspannung (Uout) zumindest zwischen 200 V bis 920 V ein stellbar ist. 16. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate circuit voltage (UZK) is 950 V or higher, and that a range of the output voltage (Uout) can be set at least between 200 V and 920 V.
17. Ladestation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation (l) eine transformatorlose Ladestation ist. 17. Charging station according to one of the preceding claims, characterized in that the charging station (l) is a transformerless charging station.
18. Verfahren zum Betreiben einer Ladestation (l) zum Laden und/oder Entla¬ den eines Energiespeichers (2) eines Elektrofahrzeuges (3) mit elektrischer Ener¬ gie mittels eines mit der Ladestation (l) koppelbaren mehrphasigen Netzes (4), wobei die Ladestation (l) einen mit einer Anzahl von Phasen (LI, L2, L3) des mehrphasigen Netzes (4) koppelbaren AC/DC-Wandler (400) und einen dem AC/DC-Wandler (400) nachgeschalteten Zwischenkreis (500) aufweist, mit: 18. A method for operating a charging station (l) for charging and/or discharging an energy store (2) of an electric vehicle (3) with electrical energy using a multiphase network (4) that can be coupled to the charging station (l), the Charging station (l) has an AC/DC converter (400) that can be coupled to a number of phases (LI, L2, L3) of the multiphase network (4) and an intermediate circuit (500) connected downstream of the AC/DC converter (400), With:
Umwandeln einer eingangsseitigen Zwischenkreisspannung (Uzk) in eine Ausgangsspannung (Uout) oder umgekehrt mittel eines dem Zwischenkreis (500) nachgeschalteten bidirektionalen DC/DC-Wandlers (600, 10, 20, 30, 40, 50) um¬ fassend eine Reihenschaltung zweier Halbbrücken (Hl, H2) mit vier Halbleiter¬ schaltern (TI, T2, T3, T4), wobei jede Halbbrücke (Hl, H2) zwischen einer ein¬ gangsseitigen Zwischenkreis-Potentialschiene (ZK+, ZK-) mit Zwischenkreis - spannung (Uzk) und einer Mittelpotentialschiene (ZM) mit symmetrischer, ins- besondere erdsymmetrischer, Mittelspannung (UZK+, UZK-) geschaltet ist, und wobei jeder Mittelabgriff (Ml, M2) der Halbbrücke (Hl, H2) mit einer Speicher¬ drossel (Ls+, LS-) und einem Speicherkondensator (CS) zusammenwirkt, so dass zwei bidirektionale Synchronwandler in Reihe geschaltet sind, wobei am Mittel¬ abgriff (Ml, M2) jeder Halbbrücke (Hl, H2) zumindest ein Umschwingkondensa- tor (CZVS, CZVS+, CZVS-, CZVS++, CZVS+-, CZVS-+, CZVS-) angeschlossen ist. Converting an input-side intermediate circuit voltage (Uzk) into an output voltage ( Uout ) or vice versa by means of a bidirectional DC/DC converter (600, 10, 20, 30, 40, 50) connected downstream of the intermediate circuit (500), comprising a series connection of two half-bridges ( Hl, H2) with four semiconductor ¬ switches (TI, T2, T3, T4), each half-bridge (Hl, H2) between a ¬ output-side intermediate circuit potential rail (ZK +, ZK-) with intermediate circuit - voltage (Uzk) and a Medium potential rail (ZM) is connected with symmetrical, in particular ground-symmetrical, medium voltage (UZK+, UZK-), and each center tap (Ml, M2) of the half-bridge (Hl, H2) with a storage choke (Ls+, LS- ) and a storage capacitor (CS), so that two bidirectional synchronous converters are connected in series, with at least one reversing capacitor (CZVS, CZVS +, CZVS-, CZVS++, CZVS+ -, CZVS-+, CZVS-) is connected.
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