WO2025252585A1 - Anordnung für einen multizellenumrichter, anordnung sowie multizellenumrichter - Google Patents

Anordnung für einen multizellenumrichter, anordnung sowie multizellenumrichter

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WO2025252585A1
WO2025252585A1 PCT/EP2025/064894 EP2025064894W WO2025252585A1 WO 2025252585 A1 WO2025252585 A1 WO 2025252585A1 EP 2025064894 W EP2025064894 W EP 2025064894W WO 2025252585 A1 WO2025252585 A1 WO 2025252585A1
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arrangement
cell
energy
insulating layer
receiving coil
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PCT/EP2025/064894
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Oliver Reimann
Jens Wietoska
Stefan Zeltner
Jan Hager
Bernd Seliger
Christian BRASCHWITZ
Steffen KREDEL
Konstantin TROIDL
Albert BUCHER
Thomas Heckel
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M1/0006—Arrangements for supplying an adequate voltage to the control circuit of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M3/325—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33561—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having more than one ouput with independent control

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for a multi-cell converter. Furthermore, the invention relates to a multi-cell converter.
  • the auxiliary voltage must be provided for each cell, whereby this is usually significantly below the operating voltage of the cell, for example 12 volts or 24 volts auxiliary voltage with an 800 volt operating voltage of a cell.
  • each cell draws its own power from its own voltage, for example, in the case of 800 volts, from those 800 volts.
  • the control electronics or control unit of a cell only functions once all cells have been charged and the full operating voltage is present. If the multi-cell inverter is operated on a DC bus (for example, 6000 V DC), cell diagnostics can only be performed after this charging process. A self-test of the cells without voltage (e.g., 6000 V DC) on the main bus is therefore not possible and significantly complicates commissioning due to the increased laboratory effort and the associated safety requirements.
  • the prior art includes a direct power supply from the intermediate circuit of each cell. Furthermore, an external power supply via a transformer with a positively and, more importantly, materially bonded primary and secondary windings without air inclusions to ensure partial discharge resistance is also known. However, this approach presents insulation problems with cable routing between the cells and the central power supply.
  • the extra-low voltage in the 24-volt circuit is laid in the protection zone of the medium voltage, which necessitates a high wiring effort due to insulation distances as well as more complex maintenance of the overall system.
  • the object of the present invention is to create an arrangement and a multi-cell converter by means of which improved operation of a cell of the arrangement or of the multi-cell converter is made possible.
  • One aspect of the invention relates to an arrangement for a multi-cell inverter with at least two cells, wherein each cell has at least one storage part for storing electrical energy and a control device for controlling the cell.
  • control device is coupled with an energy receiving coil for wireless reception of electrical energy, whereby the control device can be operated by means of the electrical energy.
  • control unit is not powered by the cell's storage component itself, meaning there is no self-sufficiency. Instead, the control unit receives electrical energy via the receiving coil, specifically inductively, and is powered by this received energy. This electrical energy can be provided independently of the cell's energy supply.
  • a cell can be inductively charged using an "open transformer” with primary and secondary coils that are not positively connected.
  • the cell(s) are, for example, pushed with their "back” against a suitable plate.
  • an energy-transmitting coil is then provided, which in turn transmits electrical energy through the plate to the energy-receiving coil.
  • this allows for a simpler design, as no cable routing with cables that are difficult to bend, especially due to their high insulation thickness, is necessary in the medium-voltage protection zone. Furthermore, maintenance of the overall system is simplified because the cell(s) can be removed after disconnecting the load connections without having to unplug any additional connectors. Increased safety is also ensured, particularly through the physical separation of the medium-voltage and extra-low-voltage zones, which also facilitates easy maintenance of the extra-low-voltage zone. Finally, more cost-effective manufacturing is possible, as, for example, two transformers can be used in the prior art. Series connection is no longer necessary to achieve basic insulation and safe separation.
  • electrical energy can thus be transferred from the energy-sending coil to the energy-receiving coil.
  • the energy-sending coil is provided with a suitable voltage supply, independent of the multi-cell inverter.
  • an air gap is formed between the energy receiving coil and the energy transmitting coil. This prevents the arrangement from reaching the partial discharge limit of the air gap.
  • a specific air gap geometry is provided for this purpose. A minimum air gap is required to achieve the necessary partial discharge resistance. This ensures more reliable operation of the arrangement.
  • an insulating layer is provided between the energy receiving coil and the energy transmitting coil.
  • a suitable separating plate can serve as this insulating layer.
  • both the air gap and the insulation layer are formed.
  • the energy receiving coil is designed to receive alternating current.
  • the energy receiving coil is designed to receive alternating voltage. Electrical energy in the form of alternating current or alternating voltage is thus transferred to the energy receiving coil via an energy transmitting coil. This has the advantage that electrical energy can be transferred reliably with minimal loss.
  • the energy receiving coil is designed to receive alternating current with a transmission frequency from 5 kHz up to and including 1000 kHz. Particularly in the 5 kHz to 1000 kHz range, reliable and essentially lossless transmission of electrical energy via the energy receiving coil can be achieved.
  • control device includes a rectifier diode for rectifying the electrical energy.
  • the control unit in turn, is powered by electricity, specifically direct current.
  • the rectifier diode rectifies the electrical energy and thus provides the voltage supply for the control unit.
  • the insulating layer is a dielectric.
  • the dielectric has a correspondingly low ⁇ r (e r ).
  • the low ⁇ r ensures, in particular, a low capacitance of the insulating layer.
  • a low voltage stress in the remaining air gap can be achieved due to the low ⁇ r.
  • the insulating layer exhibits a high breakdown voltage.
  • the insulating layer is made of polypropylene.
  • Polypropylene is a particularly advantageous insulating layer and simultaneously exhibits a low ⁇ r, which allows for improved operation of the arrangement.
  • Another advantageous embodiment involves using polyethylene for the insulating layer.
  • Polyethylene also has a low ⁇ r and is a very good electrical insulator.
  • the energy receiving coil has also proven advantageous for the energy receiving coil to touch the insulating layer.
  • this allows the energy receiving coil to touch the insulating layer, especially when viewed from inside the electrical energy storage device, and thus be in direct contact with it. This provides short distances for energy transfer, enabling the reception of electrical energy with minimal energy loss.
  • an additional air gap is formed between the energy receiving coil and the insulation layer. This additional air gap provides further electrical insulation, thus preventing electrical breakdowns into the medium-voltage range.
  • the multi-cell inverter comprises a plurality of electrical cells.
  • the electrical energy storage device can, for example, have a single insulating layer, but a plurality of cells can be connected to this single insulating layer.
  • the multi-cell inverter comprises at least one arrangement, wherein the arrangement in turn comprises a plurality of energy-transmitting coils, which are in turn connected to a plurality of energy-receiving coils.
  • the large number of cells correspond to each other.
  • the multi-cell inverter can be provided with sufficient power to supply electrical energy to electric motors in ships, for example.
  • At least one cell can be inserted into a recess in the cabinet.
  • the cell can also be removed from the cabinet or slid out again without damage. This simplifies maintenance.
  • Advantageous cell configurations are to be regarded as advantageous configurations of the arrangement and the multi-cell converter.
  • a control device can be understood, in particular, as a data processing device containing a processing circuit.
  • the computing unit can therefore process data to perform arithmetic operations. This may also include operations to perform indexed access to a data structure, such as a lookup table (LUT).
  • LUT lookup table
  • the computing unit may, in particular, contain one or more computers, one or more microcontrollers, and/or one or more integrated circuits, for example, one or more application-specific integrated circuits (ASICs), one or more field-programmable gate arrays (FPGAs), and/or one or more systems on a chip (SoCs).
  • the computing unit may also contain one or more processors, for example, one or more microprocessors, one or more central processing units (CPUs), one or more graphics processing units (GPUs), and/or one or more signal processors, in particular one or more digital signal processors (DSPs).
  • the computing unit may also include a physical or virtual array of computers or other units of the aforementioned type.
  • the computing unit includes one or more hardware and/or software interfaces and/or one or more storage units.
  • a storage unit can be volatile data storage, for example as dynamic random access memory (DRAM) or static random access memory (SRAM), or as non-volatile data storage, for example as read-only memory (ROM), programmable read-only memory (PROM), erasable programmable read-only memory (EPROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), flash memory or flash EEPROM, ferroelectric random access memory (FRAM), magnetoresistive random access memory (MRAM), or phase-change memory. It should be designed for random access, PCRAM (English: “phase-change random access memory”).
  • DRAM dynamic random access memory
  • SRAM static random access memory
  • non-volatile data storage for example as read-only memory (ROM), programmable read-only memory (PROM), erasable programmable read-only memory (EPROM), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), flash memory or flash EEPROM, ferroelectric random access memory (FRAM), magnetoresistive random access memory (M
  • FIG 1 a schematic block diagram according to an embodiment of a multi-cell inverter with an embodiment of at least one cell
  • FIG 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of an arrangement
  • FIG 3 shows another schematic sectional view of an embodiment of an arrangement.
  • FIG 1 shows a schematic block diagram according to one embodiment of a
  • Multi-cell inverter 10 has at least one cabinet 12. In Cabinet 12 shows three arrangements 14. Each arrangement has a cell 16. The cell 16 in turn has at least one electrical storage element 18 and a control device 20. A rectifier diode 22 is also shown.
  • FIG. 1 shows at least the cell 16 for the multi-cell inverter 10 with at least the storage unit 18 for storing electrical energy and with the control device 20 for controlling the cell 16.
  • the control device 20 is coupled to an energy receiving coil 24 for wirelessly receiving electrical energy, whereby the control device 20 can be operated by means of the electrical energy.
  • the control device 20 is operated by means of the electrical energy.
  • FIG. 1 further shows that the energy receiving coil 24 is configured to receive alternating current 26.
  • the energy receiving coil 24 can be configured to receive alternating current 26 with a transmission frequency from 5 kHz inclusive up to 1000 kHz inclusive.
  • FIG. 1 shows that the arrangement 14 has at least one energy transmitting coil 28.
  • alternating current 26 can thus be transmitted via the energy transmitting coil 28 to the energy receiving coil 24.
  • FIG. 1 further shows that an insulating layer 30 is formed, in particular between the energy transmitting coil 28 and the energy receiving coil 24.
  • an insulating layer 30 is formed, in particular between the energy transmitting coil 28 and the energy receiving coil 24.
  • only a single insulating layer 30 is shown, which, however, can be used jointly for the three arrangements 14.
  • the cell 16 is inductively charged with an "open transformer" with primary and secondary coils.
  • the cells are pushed with their backs against the insulating layer 30.
  • the insulating layer 30, which can also be designed as an insulating plate, is made, for example, of a standard insulating material such as phenolic resin board, PP, POM, or other options.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of an arrangement 14.
  • an air gap 32 is formed between the insulating layer 30 and the energy transmitting coil 28.
  • the special feature is that the partial discharge limit of the air gap 32 is not reached due to the specific arrangement. This is achieved in particular through the specific combination of the air gap geometry and the insulating layer 30.
  • the insulation layer 30 has a low ⁇ r (e) for low capacitance. Furthermore, a low ⁇ r is provided to reduce voltage stresses in the remaining air gap 32, ensuring compliance with the required partial discharge withstand capability. This allows for a high breakdown voltage of the insulation layer.
  • the transmitter coils, or rather the energy transmission coils 28, are in turn supplied by the power supply located at the insulation layer 30.
  • the transmission frequency is primarily in the range between 5 and 1000 kHz.
  • the design of the insulation layer 30 allows the cell 16 to be easily removed for maintenance without having to consider the auxiliary power supply.
  • FIG 3 shows a further schematic sectional view of another embodiment of the arrangement 14.
  • a further air gap 34 can be provided between the energy receiving coil 24 and the insulating layer 30.
  • FIG 2 shows that the energy transmitting coil 28 touches the insulating layer 30, and FIG 3 shows that the further air gap 34 is formed between the energy receiving coil 24 and the insulating layer 30.
  • the insulating layer 30 is a dielectric.
  • the insulating layer 30 can, for example, be made of polypropylene or polyethylene. Reference symbol list

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (10) für einen Multizellenumrichter (10) mit zumindest zwei Zellen (16), wobei eine jeweilige Zelle (16) mit zumindest einem Speicherteil (18) zum Speichern von elektrischer Energie und mit einer Steuerungseinrichtung (20) zum Steuern der Zelle (16), wobei die Steuerungseinrichtung (20) mit einer Energieempfangsspule (24) zum drahtlosen Empfangen von elektrischer Energie gekoppelt ist, wobei mittels der elektrischen Energie die Steuerungseinrichtung (20) betreibbar ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Multizellenumrichter (10).

Description

Anordnung für einen Multizellenumrichter, Anordnung sowie Multizellenumrichter
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen Multizellumrichter. Ferner betrifft die Erfindung einen Multizellumrichter.
Insbesondere bei einem sogenannten Multizellenumrichter muss für jede Zelle die Hilfsspannung bereitgestellt werden, wobei diese üblicherweise deutlich unterhalb der Betriebsspannung der Zelle, zum Beispiel 12 Volt oder 24 Volt Hilfsspannung bei 800 Volt Betriebsspannung einer Zelle liegt, liegt.
Üblicherweise versorgt sich bei einem solchen Multizellenumrichter jede Zelle selbst aus der eigenen Spannung, beispielsweise im Fall von 800 Volt, eben aus diesen 800 Volt. Damit funktioniert die Steuerungselektronik beziehungsweise Steuerungseinrichtung einer Zelle aber erst, wenn alle Zellen aufgeladen wurden und die volle Betriebsspannung anliegt. Wenn der Multizellenumrichter an einer DC-Schiene (zum Beispiel DC 6000 V) betrieben wird, dann kann eine Zelldiagnose erst nach diesem Ladevorgang erfolgen. Ein Selbsttest der Zellen ohne (zum Beispiel DC 6000 V) Spannung auf der Hauptschiene ist damit nicht möglich und verkompliziert die Inbetriebnahme deutlich aufgrund des höheren Laboraufwands und den damit verbundenen Sicherheitsanforderungen.
Im Stand der Technik ist hierzu, wie bereits erwähnt, bekannt, dass eine Direktversorgung aus dem Zwischenkreis der jeweiligen Zelle vorgesehen ist. Ferner ist eine Fremdversorgung über einen Trafo mit form- und vor allem stoffschlüssig verbundener Primär- und Sekundärwicklung ohne Lufteinschlüsse, um Teilentladungsfestigkeit zu erhalten, bekannt. Isolationsprobleme mit Kabelführung zwischen den Zellen und der zentralen Versorgung treten dabei auf.
Insbesondere die Schutzkleinspannung im 24 Volt Kreis wird im Schutzbereich der Mittelspannung verlegt, wobei ein hoher Verdrahtungsaufwand durch Isolationsabstände sowie eine aufwändigere Wartung des Gesamtsystems notwendig sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Anordnung sowie einen Multizellenumrichter zu schaffen, mittels welchen ein verbesserter Betrieb einer Zelle der Anordnung beziehungsweise des Multizellenumrichters ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung sowie durch einen Multizellenumrichter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung für einen Multizellenumrichter mit zumindest zwei Zellen, wobei eine jeweilige Zelle mit zumindest einem Speicherteil zum Speichern von elektrischer Energie und mit einer Steuerungseinrichtung zum Steuern der Zelle.
Es ist dabei vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung mit einer Energieempfangsspule zum drahtlosen Empfangen von elektrischer Energie gekoppelt ist, wobei mittels der elektrischen Energie die Steuerungseinrichtung betreibbar ist.
Insbesondere erfolgt somit die Versorgung der Steuerungseinrichtung nicht aus dem Speicherteil der Zelle selbst, somit keine Eigenversorgung, sondern die Steuerungseinrichtung empfängt elektrische Energie über die Empfangsspule, insbesondere induktiv, und wird mit der empfangenen Energie versorgt. Die elektrische Energie kann dabei unabhängig von der Energie der Zelle bereitgestellt werden.
Dadurch ist es insbesondere ermöglicht, dass auch bei entsprechend „leerem Speicherteil“ dennoch die Steuerungseinrichtung betrieben werden kann. Somit können beispielsweise auch bei entsprechend entleertem Speicherteil der Zelle dennoch Diagnosefunktionen oder andere Funktionen durch die Steuerungseinrichtung durchgeführt werden, da diese insbesondere unabhängig vom Ladezustand des Speicherteils der Zelle ist.
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass eine Zelle induktiv mit einem „offenen Transformator“ mit Primär- und Sekundärspulen nicht formschlüssig verbunden, aufgeladen werden kann. Zu diesem Zweck werden beispielsweise die Zelle beziehungsweise Zellen mit dem „Rücken“ gegen eine entsprechende Platte geschoben. Auf der gegenüberliegenden Seite der Platte ist dann wiederum beispielsweise ein Energiesendespule vorgesehen, die dann wiederum elektrische Energie durch die Platte an die Energieempfangsspule übermittelt.
Insbesondere findet somit eine bauliche Trennung zwischen Versorgungsschutzkleinspannung und Mittelspannungsbereich statt.
Insbesondere kann somit eine einfache Konstruktion bereitgestellt werden, da keine Kabelverlegung im Schutzbereich der Mittelspannung mit schwer biegbaren Kabeln, insbesondere wegen hoher Isolationsdicke, notwendig ist. Des Weiteren kann eine einfachere Wartung des Gesamtsystems ermöglicht werden, da die Zelle beziehungsweise Zellen nach Trennung der Lastanschlüsse entfernt werden können, ohne weitere Stecker ziehen zu müssen. Ferner ist eine erhöhte Sicherheit gegeben, insbesondere die bauliche Trennung der Spannungsbereiche der Mittelspannung und Schutzkleinspannung, wodurch auch einfache Wartung des Schutzkleinspannungsbereichs ermöglicht ist. Des Weiteren ist eine günstigere Fertigung ermöglicht, da beispielsweise, wie im Stand der Technik, zwei Transformatoren in Reihenschaltung für die Erreichung der Basisisolation und der sicheren Trennung nicht mehr notwendig sind.
Insbesondere kann somit elektrische Energie von der Energiesendespule an die Energieempfangsspule übertragen werden. Die Energiesendespule ist dabei insbesondere mit einer entsprechenden Spannungsversorgung, unabhängig von dem Multizellenumrichter, bereitgestellt.
Ferner ist zwischen der Energieempfangsspule und der Energiesendespule ein Luftspalt ausgebildet. Insbesondere kann somit die Anordnung die Teilentladungsgrenze des Luftspalts nicht erreichen. Hierbei ist insbesondere eine spezifische Luftspaltgeometrie vorgesehen. Ein Mindestluftspalt ist dabei erforderlich, um die geforderte Teilentladungsfestigkeit zu erhalten. Somit kann ein zuverlässigerer Betrieb der Anordnung bereitgestellt werden.
Ferner ist vorgesehen, dass zwischen der Energieempfangsspule und der Energiesendespule eine Isolationsschicht ausgebildet ist. Insbesondere kann eine entsprechende Trennplatte als Isolationsschicht ausgebildet sein. Somit sind die Energiesendespule und die Energieempfangsspule voneinander elektrisch isoliert. Somit können ein Versorgungsschutzkleinspannungsbereich und der Mittelspannungsbereich elektrisch voneinander getrennt werden.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass beispielsweise in einer Ausgestaltungsform sowohl der Luftspalt als auch die Isolationsschicht ausgebildet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Energieempfangsspule zum Empfangen von Wechselstrom ausgebildet. Insbesondere ist somit die Energieempfangsspule zum Empfangen von Wechselspannung ausgebildet. Es wird somit elektrische Energie in Form von Wechselstrom beziehungsweise Wechselspannung über eine Energiesendespule an die Energieempfangsspule übertragen. Dies hat den Vorteil, dass zuverlässig elektrische Energie mit wenig Verlust übertragen werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Energieempfangsspule zum Empfangen von Wechselstrom mit einer Übertragungsfrequenz von einschließlich 5 kHz bis einschließlich 1000 kHz ausgebildet ist. Insbesondere in dem Bereich 5 kHz bis 1000 kHz kann eine zuverlässige und im Wesentlichen verlustfreie Übertragung von elektrischer Energie über die Energieempfangsspule erreicht werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die Steuerungseinrichtung eine Gleichrichterdiode zum Gleichrichten der elektrischen Energie aufweist. Somit wird insbesondere die Steuerungseinrichtung wiederum mit Strom beziehungsweise Gleichspannung betrieben. Die Gleichrichterdiode kann die elektrische Energie gleichrichten und somit die Spannungsversorgung für die Steuerungseinrichtung bereitstellen.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Isolationsschicht ein Dielektrikum ist. Insbesondere weist das Dielektrikum ein entsprechend geringes epsilon r (er) auf. Das geringe epsilon r sorgt insbesondere für eine niedrige Kapazität der Isolationsschicht. Des Weiteren kann eine geringe Spannungsbelastung im verbleibenden Luftspalt durch das geringe epsilon r realisiert werden. Somit weist die Isolationsschicht eine hohe Durchbruchsspannung auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist vorgesehen, dass die Isolationschicht aus Polypropylen ausgebildet ist. Polypropylen ist insbesondere eine sehr vorteilhafte Isolationsschicht und weist gleichzeitig ein geringes epsilon r auf, wodurch ein verbesserter Betrieb der Anordnung realisiert werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Isolationsschicht aus Polyethylen ausgebildet ist. Polyethylen weist ebenfalls ein geringes epsilon r auf und bildet einen sehr guten elektrischen Isolator.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Energieempfangsspule die Isolationsschicht berührt. Insbesondere kann somit die Energieempfangsspule die Isolationsschicht, insbesondere vom Inneren des elektrischen Energiespeichers aus betrachtet, berühren und liegt somit direkt an der Isolationsschicht an. Somit sind geringe Abstände zur Energieübertragung bereitgestellt, wodurch mit wenig Energieverlust elektrische Energie empfangen werden kann.
Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass zwischen der Energieempfangsspule und der Isolationsschicht ein weiterer Luftspalt ausgebildet ist. Der weitere Luftspalt bietet wiederum eine weitere elektrische Isolation, so dass elektrische Durchbrüche zum Mittelspannungsbereich verhindert werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Multizellenumrichter mit zumindest einer Zelle nach dem ersten Aspekt der Erfindung oder mit zumindest einer Anordnung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung. Insbesondere weist der Multizellenumrichter eine Vielzahl von elektrischen Zellen auf. Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise eine einzige Isolationsschicht aufweisen und es können jedoch eine Vielzahl von Zellen an die eine (einzelne) Isolationsschicht angeschoben werden. Ferner weist der Multizellenumrichter zumindest eine Anordnung auf, wobei die Anordnung dann wiederum eine Vielzahl von Energiesendespulen aufweist, welche wiederum mit der Vielzahl von Energieempfangsspulen der Vielzahl von Zellen korrespondieren. Somit kann der Multizellenumrichter mit einer entsprechenden Leistung bereitgestellt werden, um beispielsweise in Schiffen für elektrische Motoren elektrische Energie bereitstellen zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Multizellenumrichter kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Zelle oder zumindest eine Anordnung in einem Schrank des Multizellenumrichters angeordnet ist. Somit kann der Schrank als Schutz vor Umgebungsbedingungen genutzt werden. Insbesondere ist eine Vielzahl von Zellen wiederum im Schrank angeordnet. Des Weiteren kann auch eine Vielzahl von Anordnungen im Schrank angeordnet werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die zumindest eine Zelle in eine Aufnahme des Schranks einschiebbar ist. Insbesondere ist auch die Zelle wieder zerstörungsfrei lösbar aus dem Schrank entnehmbar beziehungsweise ausschiebbar gelagert. Somit können entsprechende Wartungen vereinfacht durchgeführt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Zelle sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Anordnung und des Multizellenumrichters anzusehen.
Unter einer Steuerungseinrichtung kann insbesondere ein Datenverarbeitungsgerät verstanden werden, das einen Verarbeitungsschaltkreis enthält. Die Recheneinheit kann also insbesondere Daten zur Durchführung von Rechenoperationen verarbeiten. Darunter fallen gegebenenfalls auch Operationen, um indizierte Zugriffe auf eine Datenstruktur, beispielsweise eine Umsetzungstabelle, LUT (englisch: „look-up table“), durchzuführen.
Die Recheneinheit kann insbesondere einen oder mehrere Computer, einen oder mehrere Mikrocontroller und/oder einen oder mehrere integrierte Schaltkreise enthalten, beispielsweise eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, ASIC (englisch: „application-specific integrated circuit“), eines oder mehrere feldprogrammierbare Gate-Arrays, FPGA, und/oder eines oder mehrere Einchipsysteme, SoC (englisch: „system on a chip“). Die Recheneinheit kann auch einen oder mehrere Prozessoren, beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren, eine oder mehrere zentrale Prozessoreinheiten, CPU (englisch: „central processing unit“), eine oder mehrere Grafikprozessoreinheiten, GPU (englisch: „graphics processing unit“) und/oder einen oder mehrere Signalprozessoren, insbesondere einen oder mehrere Digitalsignalprozessoren, DSP, enthalten. Die Recheneinheit kann auch einen physischen oder einen virtuellen Verbund von Computern oder sonstigen der genannten Einheiten beinhalten. In verschiedenen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Recheneinheit eine oder mehrere Hardware- und/oder Softwareschnittstellen und/oder eine oder mehrere Speichereinheiten.
Eine Speichereinheit kann als flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, DRAM (englisch: „dynamic random access memory“) oder statischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, SRAM (englisch: „static random access memory“), oder als nicht-flüchtiger Datenspeicher, beispielsweise als Festwertspeicher, ROM (englisch: „read-only memory“), als programmierbarer Festwertspeicher, PROM (englisch: „programmable read-only memory“), als löschbarer programmierbarer Festwertspeicher, EPROM (englisch: „erasable programmable read-only memory“), als elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher, EEPROM (englisch: „electrically erasable programmable read-only memory“), als Flash-Speicher oder Flash-EEPROM, als ferroelektrischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff, FRAM (englisch: „ferroelectric random access memory“), als magnetoresistiver Speicher mit wahlfreiem Zugriff, MRAM (englisch: „magnetoresistive random access memory“) oder als Phasenänderungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff, PCRAM (englisch: „phase-change random access memory“), ausgestaltet sein.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen der Erfindung ergeben sich aus den Figur und deren Beschreibung sowie aus den Ansprüchen. Insbesondere müssen weitere Ausführungsformen der Erfindung nicht unbedingt alle Merkmale eines der Ansprüche enthalten. Weitere Ausführungsformen der Erfindungen können Merkmale oder Merkmalskombinationen aufweisen, die nicht in den Ansprüchen genannt sind.
Dabei zeigen:
FIG 1 ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform eines Multizellenumrichters mit einer Ausführungsform zumindest einer Zelle;
FIG 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Anordnung; und
FIG 3 eine weitere schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Anordnung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand konkreter Ausführungsbeispiele und zugehöriger schematischer Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren können gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Beschreibung gleicher oder funktionsgleicher Elemente wird gegebenenfalls nicht notwendigerweise bezüglich verschiedener Figuren wiederholt.
FIG 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild gemäß einer Ausführungsform eines
Multizellenumrichters 10. Der Multizellenumrichter 10 weist zumindest einen Schrank 12 auf. Im Schrank 12 sind vorliegend drei Anordnungen 14 gezeigt. Eine jeweilige Anordnung weist eine Zelle 16 auf. Die Zelle 16 wiederum weist zumindest einen elektrischen Speicherteil 18 sowie eine Steuerungseinrichtung 20 auf. Ferner ist eine Gleichrichterdiode 22 gezeigt.
Insbesondere zeigt somit die FIG 1 zumindest die Zelle 16 für den Multizellenumrichter 10 mit zumindest dem Speicherteil 18 zum Speichern von elektrischer Energie und mit der Steuerungseinrichtung 20 zum Steuern der Zelle 16. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung 20 mit einer Energieempfangsspule 24 zum drahtlosen Empfangen von elektrischer Energie gekoppelt ist, wobei mittels der elektrischen Energie die Steuerungseinrichtung 20 betreibbar ist. Insbesondere wird mittels der elektrischen Energie die Steuerungseinrichtung 20 betrieben.
Insbesondere zeigt die FIG 1 ferner, dass die Energieempfangsspule 24 zum Empfangen von Wechselstrom 26 ausgebildet ist. Dabei kann die Energieempfangsspule 24 zum Empfangen von Wechselstrom 26 mit einer Übertragungsfrequenz von einschließlich 5 kHz bis einschließlich 1000 kHz ausgebildet sein.
Weiterhin zeigt die FIG 1 , dass die Anordnung 14 zumindest eine Energiesendespule 28 aufweist. Insbesondere kann somit Wechselstrom 26 über die Energiesendespule 28 an die Energieempfangsspule 24 übertragen werden.
Die FIG 1 zeigt ferner, dass insbesondere zwischen der Energiesendespule 28 und der Energieempfangsspule 24 eine Isolationsschicht 30 ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist lediglich eine einzige Isolationsschicht 30 gezeigt, welche jedoch für die drei Anordnungen 14 gemeinsam genutzt werden kann.
Insbesondere ist somit vorgesehen, dass die Zelle 16 induktiv mit einem „offenen Transformator“ mit Primär- und Sekundärspule aufgeladen werden. Zu diesem Zweck werden die Zellen mit dem Rücken gegen die Isolationsschicht 30 geschoben. Die Isolationsschicht 30, welche auch als Isolierplatte ausgebildet sein kann, ist beispielsweise aus einem Standardisolierwerkstoff, wie Phenolharzplatte, PP, POM oder weitere Möglichkeiten ausgebildet.
Somit kann eine bauliche Trennung zwischen der Versorgungsschutzkleinspannung, welche insbesondere durch den Wechselstrom 26 dargestellt ist, und im Mittelspannungsbereich, welcher insbesondere über die Zelle 16 beziehungsweise den Speicherteil 18 gezeigt ist, erreicht werden. Des Weiteren ist gezeigt, dass die Zelle 16 in eine Aufnahme 36 des Schranks 12 eingeschoben werden kann.
FIG 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Anordnung 14. Im folgenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass zwischen der Isolationsschicht 30 und der Energiesendespule 28 ein Luftspalt 32 ausgebildet ist. Insbesondere besteht die Besonderheit somit darin, dass durch die spezielle Anordnung die Teilentladungs-Grenze des Luftspalts 32 nicht erreicht wird. Hierzu ist insbesondere die spezielle Kombination der Luftspaltgeometrie und der Isolationsschicht 30 vorgesehen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Isolationsschicht 30 ein geringes epsilon r (e aufweist, für eine niedrige Kapazität. Des Weiteren ist ein niedriges epsilon r vorgesehen, für geringere Spannungsbelastungen im verbleibenden Luftspalt 32, so dass die geforderte Teilentladungsfestigkeit eingehalten wird. Dadurch kann eine hohe Durchbruchsspannung der Isolationsschicht erreicht werden. Die Senderspulen beziehungsweise die Energiesendespulen 28 werden wiederum mit der sich an der Isolationsschicht 30 befindenden Stromversorgung gespeist. Dabei liegt die Übertragungsfrequenz, wie bereits erwähnt, insbesondere im Bereich zwischen 5 bis 1000 kHz. Insbesondere durch Aufbau der Isolationsschicht 30 kann die Zelle 16 somit für die Wartung einfach herausgezogen werden, ohne dass dabei Rücksicht auf die Hilfsversorgung genommen werden muss.
FIG 3 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Anordnung 14. Im folgenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere gezeigt, dass zwischen der Energieempfangsspule 24 und der Isolationsschicht 30 ein weiterer Luftspalt 34 vorgesehen sein kann.
Mit anderen Worten zeigt die FIG 2, dass die Energiesendespule 28 die Isolationsschicht 30 berührt, und die FIG 3 zeigt, dass zwischen der Energieempfangsspule 24 und der Isolationsschicht 30 der weitere Luftspalt 34 ausgebildet ist.
Des Weiteren ist insbesondere vorgesehen, dass die Isolationsschicht 30 ein Dielektrikum ist. Dabei kann die Isolationsschicht 30 beispielsweise aus Polypropylen oder aus Polyethylen ausgebildet sein. Bezugszeichenliste
10 Multizellenumrichter
12 Schrank 14 Anordnung
16 Zelle
18 Speicherteil
20 Steuerungseinrichtung
22 Gleichrichterdiode 24 Energieempfangsspule
26 Wechselstrom
28 Energiesendespule
30 Isolationsschicht
32 Luftspalt 34 weiterer Luftspalt
36 Aufnahme

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (14) mit zumindest zwei Zellen (16) für einen Multizellenumrichter (10), wobei die Anordnung (16) eine Energiesendespule (28) aufweist, wobei eine jeweilige Zelle (16) mit zumindest einem Speicherteil (18) zum Speichern von elektrischer Energie und mit einer Steuerungseinrichtung (20) zum Steuern der Zelle (16), wobei die Steuerungseinrichtung (20) mit einer Energieempfangsspule (24) zum drahtlosen Empfangen von elektrischer Energie gekoppelt ist, wobei mittels der elektrischen Energie die Steuerungseinrichtung (20) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Energieempfangsspule (24) und der Energiesendespule (28) ein Luftspalt (32) ausgebildet ist, wobei zwischen der Energieempfangsspule (24) und der Energiesendespule (28) eine Isolationsschicht (30) ausgebildet ist, und wobei für die zumindest zwei Zellen (16) eine einzige Isolationsschicht (30) ausgebildet ist.
2. Anordnung (14) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangsspule (24) zum Empfangen von Wechselstrom (26) ausgebildet ist.
3. Anordnung (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangsspule (24) zum Empfangen von Wechselstrom (26) mit einer Übertragungsfrequenz von einschließlich 5 kHz bis einschließlich 1000kHz ausgebildet ist.
4. Anordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (20) eine Gleichrichterdiode (22) zum Gleichrichten der elektrischen Energie aufweist.
5. Anordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (30) ein Dielektrikum ist.
6. Anordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (30) aus Polypropylen ausgebildet ist.
7. Anordnung (14) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (30) aus Polyethylen ausgebildet ist.
8. Anordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangsspule (24) die Isolationsschicht (30) berührt.
9. Anordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Energieempfangsspule (24) und der Isolationsschicht (30) ein weiterer Luftspalt (34) ausgebildet ist.
10. Multizellumrichter (10) mit zumindest einer Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Multizellumrichter (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Anordnung (14) in einem Schrank (12) des Multizellumrichters (10) angeordnet ist.
12. Multizellumrichter (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zelle (16) in eine Aufnahme (36) des Schranks (12) einschiebbar ist.
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