Titel

Vorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle.

Stand der Technik

Eine bekannte Vorrichtung zum dreiphasigen Laden einer Batterie umfasst einen Hochsetzsteller und einen Tiefsetzsteller, die zu einer Anpassung von Spannungsniveaus vor- gesehen sind und die jeweils als separate Einheiten ausgebildet sind. Zudem umfasst die bekannte Vorrichtung ein Netzfilter, welches vorgesehen ist, um störende Einflüsse des Hochsetz- bzw. des Tiefsetzstellers auf das dreiphasige Wechselspannungsnetz zu unterbinden. DE 195 235 76 A1 beschreibt ein Wechselspannungs-Gleichspannungsnetzteil und ein Verfahren zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung in Hochspannungssystemen. Das dort beschriebene Wechselspannungs-Gleichspannungs- netzteil umfasst einen Halbleiterschalter, welcher auf einer Niedrigspannungsseite des Rücklaufwandlers eine niedrigere Durchbruchspannung aufweist als ein Halbleiterschalter auf einer Hochspannungsseite. Die niedrigere Durchbruchspannung ist mittels eines Nebenschlussreglers erzielbar, welcher eine Klemmspannung auf der Niedrigspannungs- schalterseite reguliert.

Offenbarung der Erfindung Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle, aufweisend in jeder Phase der Wechselspannungsquelle:

- eine Tiefsetzstellereinrichtung mit einem Schalter;

- eine parallel zur Tiefsetzstellereinrichtung verschaltete Diode;

- eine mit der Tiefsetzstellereinrichtung verschaltete Umrichtereinrichtung mit wenigstens einer ersten Halbbrücke mit zwei seriell geschalteten Schaltern, wobei eine Induktivität zwischen einem Verbindungspunkt der zwei Schalter der ersten Halbbrücke und der Tiefsetzstellereinrichtung verschaltet ist;

- wobei mittels einer Gleichrichtereinrichtung der Tiefsetzstellereinrichtung eine Ladestromrichtung über die Induktivität festgelegt wird;

- wobei mittels einer Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von den Spannungen der Wechselspannungsquelle und dem Ladestrom durch die Induktivität die Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung und wenigstens ein zweiter Schalter der ersten Halbbrücke der Umrichtereinrichtung derart schaltbar sind, dass ein der Wechselspannungsquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers entnommener Strom derart generierbar ist, dass jeder Phase der Wechselspannungsquelle ein im Wesentlichen sinusförmiger Strom entnommen wird, wobei in jeder Phase der Strom und die Spannung der Wechselspannungsquelle im Wesentlichen in Phase sind.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers aus einer Wechselspannungsquelle bereitgestellt, welches folgende Schritte aufweist:

- Tiefsetzen jeder Spannungsphase der Eingangswechselspannung derart, dass ein Spannungsniveau der Eingangswechselspannung niedriger ist als ein definiertes Spannungsniveau von Schaltern einer Umrichtereinrichtung; und

- Generieren einer Gegenspannung zu jeder tiefgesetzten Spannungsphase derart, dass die Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle und die Ströme, der jeder Phase der Wechselspannungsquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers entnommen werden, im Wesentlichen in Phase sind.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder der zweite Schalter der ersten Halbbrücke oder der zweite Schalter der zweiten Halbbrücke oder der zweite Schalter der dritten Halbbrücke geschaltet wird. Dadurch wird vorteilhaft eine Auswahl verschiedener Schalter der Umrichtereinrichtung ermöglicht, wobei je nach Bedarf die Auswahl auch geändert werden kann. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Schalter der ersten Halbbrücke und der zweite Schalter der zweiten Halbbrücke und der zweite Schalter der dritten Halbbrücke überlappend geschaltet werden. Dadurch wird vorteilhaft eine Schaltleistung auf die Schalter der

Umrichtereinrichtung verteilt, was eine gleichmäßige Belastung der Schalter der

Umrichtereinrichtung bewirkt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Phasenwicklung eines dreiphasigen Elektromotors mit jeweils einem Verbindungspunkt der Schalter einer Halbbrücke der Umrichter- einrichtung verschaltet ist, wobei ein Sternpunkt von Wicklungen des Elektromotors an einen Ausgang der Tiefsetzstellereinrichtung verschaltet ist. Dadurch werden vorteilhaft Wicklungsinduktivitäten eines Elektromotors ausgenutzt, was vorteilhaft eine Verwendung einer externen Induktivität obsolet macht. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweiten Schalter von zwei oder drei Halbbrücken der

Umrichtereinrichtung synchron oder überlappend geschaltet werden. Dies bewirkt aufgrund der überlappenden Schaltweise vorteilhaft eine verringerte Welligkeit des Ladestroms für den elektrischen Energiespeicher. Durch die synchrone Schaltung der Schalter kann eine Vergleichmäßigung von Schaltleistung auf die Schalter der Umrichtereinrichtung erzielt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung geschaltet werden. Dies erlaubt eine minimierte Schaltart für den Fall, dass die elektrische Netzspannung größer als die elektrische Spannung des elektrischen Energiespeichers ist.

Vorteile der Erfindung Als besonders vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass es mittels der

Umrichtereinrichtung und der Tiefsetzstellereinrichtung möglich ist, ein effizientes und kostengünstiges dreiphasiges Laden eines elektrischen Energiespeichers zu bewirken, indem die Umrichtereinrichtung und die Tiefsetzstellereinnchtung einen Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher steuert. Dabei wird als ein Vorteil insbesondere auch die Tatsache angesehen, dass eine in einem System bereits vorhandene Umrichtereinrichtung (z.B. ein B6-Inverter in einem Antriebssystem mit einer Hochvolt-Batterie für Elektrofahrzeuge) für die Ladefunktion des elektrischen Energiespeichers mitgenutzt werden kann. Auf diese Weise realisiert die Tiefsetzstellereinnchtung zusammen mit Kopplungsinduktivitäten eine Korrekturfunktionalität im Sinne einer Oberwellenfaktorverbesserung, welche für die Einhaltung von EN-Netz- normen vorgeschrieben ist.

Besonders vorteilhaft wird auch angesehen, dass durch die Verwendung der Tiefsetzstellereinnchtung und der Umrichtereinrichtung als ein Hochsetzsteller das erfindungsge- mäße Prinzip in einem weiten Eingangs- und Batteriespannungsbereich einsetzbar ist. Auf diese Weise wird ein Ladekonzept realisiert, welches weltweit einsetzbar ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschrie- benen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise als detailgetreue Schaltbilder zu verstehen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.

Kurze Beschreibung der Figuren Es zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche Vorrichtung zum dreiphasigen Laden eines elektrischen

Energiespeichers;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Vorrichtung zum dreiphasigen Laden eines elektrischen Energiespeichers B. Eine dreiphasige Eingangswechselspannung W1 , W2, W3 (Dreh- ström) wird mittels eines Hochsetzstellers HS gleichgerichtet und auf ein höheres Zwischenkreis-Spannungsniveau angehoben. Mittels eines Zwischenkreiskondensators wird die Zwischenkreisgleichspannung geglättet. Mittels eines Tiefsetzstellers TS wird das Spannungsniveau der Zwischenkreisspannung entsprechend von Ladebedürfnissen des elektrischen Energiespeichers B verringert. Ein zwischen der dreiphasigen Wechselspan- nung W1 , W2, W3 und dem Hochsetzsteller HS angeordnetes Netzfilter N verhindert ein Überschreiten von Oberwellengrenzen nach gesetzlichen Normen und Vorschriften.

Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, eine bereits in einem System vorhandene Umrichtereinrichtung U zum dreiphasigen Laden des elektrischen Energiespeichers B zu nutzen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. An jede Phasenspannung W1 , W2, W3 der dreiphasigen Eingangswechselspannung ist eine Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 geschaltet, die jeweils einen Leistungshalbleiter- Schalter (z.B. IGBT) STS1 , STS2, STS3 aufweist und eine Gleichrichtereinrichtung in Form von vier Dioden D1 1...D33. Jeweils eine Diode D13, D14, D23, D24, D33, D34 ist mit einem Emitter und einem Kollektor des Schalters STS1 , STS2, STS3 elektrisch verbunden. Zudem bilden zwei seriell geschaltete Dioden D1 1 , D12, D21 , D22, D31 , D32 eine Serienschaltung, die jeweils über ein Gate des Schalters STS1 , STS2, STS3 elekt- risch verschaltet ist.

Die genannten Dioden D1 1 ...D33 der Gleichrichtereinrichtung übernehmen dabei im Wesentlichen die Festlegung einer Stromrichtung von Phasenströmen, welche in einheitlicher Richtung über eine Koppelinduktivität L4 zu einem Laden des elektrischen Energiespeichers B fließen sollen. An jede der drei Phasenspannungen W1 , W2, W3 ist eine Koppelinduktivität L1 , L2, L3 an einen Verbindungspunkt der zwei parallel zum Gate der Schalter STS1 , STS2, STS3 geschalteten Dioden D1 1 , D12, D21 , D22, D31 , D32 geschaltet. Die Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 mit einem Ausgang ist an eine Umrichtereinrichtung U (z.B. ein B6-Inverter) mit drei Halbbrücken H1 , H2, H3 mit jeweils zwei seriell geschalteten Schaltern S1 ...S6 angeschaltet, wobei zwischen einem Verbindungspunkt der ersten Halbbrücke H1 und dem Ausgang der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 eine weitere Induktivität L4 geschaltet ist. Ein Elektromotor M ist an Verbin- dungspunkte der Schalter der Halbbrücken der Umrichtereinrichtung U angeschaltet, wobei der Elektromotor M in dieser Konfiguration keine Funktion hat.

Einer elektronischen Steuerungseinrichtung 10 werden mittels Strom- und Spannungssensoren (nicht dargestellt) ermittelte Werte und zeitliche Verläufe der drei Phasenspan- nungen, Phasenströmen und ein Summenstrom durch die Induktivität L4 (Batterieladestrom) zugeführt.

Abhängig von den zeitlichen Verläufen der drei Phasenspannungen, den Phasenströmen und dem Summenstrom durch die Induktivität L4 werden nunmehr mittels der Steuerungs- einrichtung 10 die Schalter STS1 , STS2, STS3 der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 derart geschaltet, dass die drei Phasenströme in Phase mit den jeweiligen Phasenspannungen W1 , W2, W3 sind. Zudem wird mittels der Schalter STS1 , STS2, STS3 der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 ein summarischer Ladestrom für den elektrischen Energiespeicher B erzeugt, der einen definierten Maximalwert nicht übersteigt. Durch das Schalten der Schalter der Tiefsetzstellereinrichtung werden Stromflüsse über die Induktivitäten L1 ..L3 unterbrochen, weshalb eine Freilaufdiode FLD vorgesehen ist, die zu definierten Schaltphasen der Schalter STS1 , STS2, STS3 einen Stromfluss über die Induktivität L4 ermöglicht. Vorteilhaft werden die Schalter STS1 , STS2, STS3 der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 durch die erläuterte Betriebsweise symmetrisch belastet.

Die nachgeschaltete Umrichtereinrichtung U realisiert funktional eine Hochsetzsteller- topologie, wobei mittels eines getakteten Betätigens des zweiten Schalters S2 der ersten Halbbrücke H1 eine elektrische Gegenspannung nach der Induktivität L4 zu einer elektri- sehen Spannung vor der Induktivität L4 aufgebaut wird, die einen Ladestrom für den elekt- rischen Energiespeicher B über eine parallel zum Schalter S1 geschaltete Freilaufdiode (nicht dargestellt) treibt.

Die Halbleiterschalter S1 ...S6 der Umrichtereinrichtung U sind auslegungsbedingt nur bis zu einer Spannung von ungefähr 600 V belastbar. Aus diesem Grund muss mittels der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 die elektrische Spannung für die Schalter S1 ...S6 entsprechend bereitgestellt werden.

Im Ergebnis bedeutet dies ein Bereitstellen eines Ohmschen Verhaltens in den drei Pha- sen W1 , W2, W3 der dreiphasigen Wechselspannungsquelle, was vorteilhaft eine geringe Emission von Oberwellen ins dreiphasige Wechselspannungsnetz mit sich bringt. Auf diese Weise wird also ein zu jeder Netzspannung synchroner Stromverlauf bereitgestellt.

Dadurch realisiert die Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 zusammen mit den Induktivitäten L1 ...L4 erfindungsgemäß eine Funktionalität einer Korrektureinrichtung nach den Prinzipien einer Oberwellenfaktorverbesserung (engl. Power Factor Correction).

Denkbar ist beispielsweise, dass lediglich ein zweiter Schalter S2, S4, S6 von einer der drei Halbbrücken H1 , H2, H3 geschaltet wird.

Denkbar ist auch, dass die zweiten Schalter S2, S4, S6 der Halbbrücken H1 , H2, H3 überlappend (engl, interleave) geschaltet werden, wodurch eine Welligkeit des Gesamtladestroms vorteilhaft bedeutend verringert ist. Zudem hat dies vorteilhaft zur Folge, dass die einzelnen Schalter S1 ...S6 der Umrichtereinrichtung U geringer belastet werden, weil die elektrische Schaltleistung gleichmäßiger auf die Schalter S1 ...S6 verteilt wird.

In Fig. 3 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt, in der Wicklungsinduktivitäten des Elektromotors M als Induktivität L4 genutzt werden. Für den Elektromotor M ist ein Sternpunktsabgriff vorgesehen, wobei ein Sternpunkt mit einem Ausgang der Tiefsetzstellereinrichtung TS1 , TS2, TS3 verschaltet ist. In diesem Fall können je nach Bedarf eine oder zwei oder alle drei Halbbrücken H1 , H2, H3 der Umrichtereinrichtung U genutzt werden.

Auch in der Ausführungsform der Vorrichtung 100 von Fig. 3 ist es möglich, die Schalter der Halbbrücken H1 , H2, H3 überlappend zu schalten, so dass eine Vergleichmäßigung der Schaltleistung bzw. eine Senkung eines„Temperaturhubs" der einzelnen Schalter der Halbbrücken H1 , H2, H3 erreicht wird. Dies hat vorteilhafte Auswirkungen in Form einer verlängerten Betriebsdauer der Schalter.

Fig. 4 zeigt eine prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsge- mäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 101 wird jede Spannungsphase der Eingangswechselspannung derart tiefgesetzt, dass ein Spannungsniveau der Eingangswechselspannung niedriger ist als ein definiertes Spannungsniveau von Schaltern einer Umrichtereinrichtung . In einem zweiten Schritt 201 wird eine Gegenspannung zu jeder tiefgesetzten Spannungsphase derart generiert, dass die Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle W1 ,W2,W3 und die Ströme, der jeder Phase der Wechselspannungsquelle W1 ,W2,W3 zum Laden des elektrischen Energiespeichers B entnommen werden, im Wesentlichen jeweils in Phase sind.

Vorteilhaft ist es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren möglich, die einzelnen Phasenströme sinusförmig auszugestalten, was zu einer Erfüllung von gegebenen Vorgaben bezüglich Oberwellen beiträgt. Vorteilhaft werden mittels der Erfindung keine blockförmigen Ströme erzeugt, die in konventionellen Systemen auftreten und eine ungünstige Auswirkung auf Oberwellen und Emissionen nach sich ziehen.

Vorteilhaft ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kein Transformator für ein Anpassen der Eingangsspannung erforderlich.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.